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摘要：研究小组着眼于仅由硅和氧元素组成的二氧化硅玻璃网络的内在环状结构，开发出了“真圆度”和“粗度”的新指标对其进行量化分析，全面分析了玻璃及晶体中所含环状的典型特征。

关键词：二氧化硅玻璃、环状结构、真圆度、粗度、量化分析

日本东北大学和早稻田大学着眼于仅由硅和氧元素组成的二氧化硅玻璃（石英玻璃）网络的内在环状结构，开发出了“真圆度”和“粗度”这样的新指标，成功地将环状结构进行三维定量化。

玻璃是现在日常生活中不可缺少的基础材料，如窗玻璃和显示器等，然而由于其原子排列乍一看无序且复杂，很难理解和控制其结构，在合理的功能材料设计上还留有很多课题。

研究小组对材料中化学键网络的内在环状结构的规则性进行了三维定量评价。此次研究通过新定义的真圆度和粗度等指标，实现了对环状结构的定量评价法。

将该技术应用于窗玻璃等使用的二氧化硅（SiO₂）玻璃以及含有SiO₂成分的多种晶体的结构分析，全面分析了玻璃及晶体中所含环状的典型特征。

二氧化硅中存在着其他化学组成材料中没有的多样化晶体结构，通过此次的分析，发现玻璃中存在数种类似二氧化硅晶体的结构，同时还存在许多具有玻璃特有形状的环状结构。

图1. 环状结构的形状指标：（a）形状指标的计算步骤、（b）石英（SiO₂）的环状指标计算示例、（c）石英玻璃和晶体（9种）形状指标的分布

此项新发现是首次通过环状定量评价技术获得的，对于理解玻璃化及结晶化等状态转移具有重要意义。

在此次研究中，还开发出了自动决定环状方向的计算方法，并根据该方法开发出了计算环状周围原子存在概率的技术。通过采用该技术分析玻璃结构，获得了在理解玻璃结构规则方面的两个重要知识：

第一个发现是，玻璃结构中也存在与晶体结构相同的各向异性。在宏观层面上，玻璃被认为是各向同性的，但通过将各向异性的局部结构秩序在环状结构的方向上对齐，使原子分布可视化，首次定量地阐明了其特征；
第二个发现是，在玻璃中所含的规则环状的周边，形成了类似晶体的规则结构秩序。如上所述，通过测量，已经确认了在玻璃中超过化学键长度的距离尺度上存在结构规则性。例如，在玻璃衍射实验中观测到的具有特征的锐峰（FSDP），可以作为玻璃中在超过化学键长度的尺度上存在结构秩序的证据。

研究小组表示，新开发的材料结构定量评价技术将有助于阐明玻璃材料的物理性质表现，并对数据驱动型高性能材料的探索做出贡献。

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发现不规则玻璃结构中潜在的规则