Топология раскрыла скрытые правила аморфных материалов: мягкость возникает из иерархических структур

Схема исследования: диаграмма персистентности, полученная из структуры аморфного кремния, примеры локальных кольцевых структур и репрезентативные структуры, включая атомы с большими неаффинными смещениями. Автор: Эми Минамитани.

Почему стекло и другие аморфные материалы деформируются легче в одних областях, чем в других? Исследовательская группа из Университета Осаки, Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST), Университета Окаямы и Токийского университета нашла ответ.

Применив математический метод, известный как персистентная гомология, команда показала, что эти мягкие области управляются скрытыми иерархическими структурами, где упорядоченные и неупорядоченные атомные конфигурации сосуществуют.

Кристаллические твердые тела, такие как соль или лёд, имеют атомы, аккуратно расположенные в повторяющихся узорах. Аморфные материалы, включая стекло, резину и некоторые пластмассы, лишены этого дальнего порядка. Однако они не полностью случайны: они обладают средним порядком (MRO) — тонкими атомными паттернами, которые распространяются на несколько нанометров.

Долгое время предполагалось, что MRO играет критическую роль в определении физических свойств аморфных материалов, особенно их механических реакций. Однако из-за сложности атомных сетей традиционные методы анализа не смогли прояснить, как MRO связан с областями, которые деформируются легче, чем их окружение. Таким образом, структурные истоки механической мягкости в аморфных твердых телах оставались неясными.

Исследовательская группа применила персистентную гомологию — раздел топологического анализа данных, который захватывает структурные особенности на множестве масштабов. В аморфном кремнии — типичном ковалентном аморфном материале, широко используемом в солнечных элементах и электронных устройствах, — они обнаружили иерархические кольцевые структуры: меньшие кольца с нерегулярной длиной ребер вложены в более крупные кольца.

Это сосуществование порядка и беспорядка означает, что мягкость возникает не только из случайности, но из ограничений, накладываемых средним порядком, переплетенным с локальным беспорядком. Исследование также показало, что эти иерархические структуры сильно коррелируют с низкоэнергетическими локализованными колебаниями — универсальной особенностью стекол, известной как «бозонный пик».

«Эта работа открывает новый путь для связи атомной структуры аморфных материалов с их механическими откликами», — говорит Эми Минамитани из Университета Осаки, ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications.

«Мы уверены, что эти идеи ускорят проектирование прочного стекла и других передовых аморфных материалов».

Открытие устанавливает четкий структурный принцип: механически мягкие области возникают там, где беспорядок встроен в средний порядок.

Это контринтуитивное открытие предоставляет практическое руководство для разработки аморфных твердых тел, которые являются одновременно гибкими и прочными, что принесет пользу применениям от дисплеев и покрытий до энергетических устройств.

Больше информации: Persistent homology elucidates hierarchical structures responsible for mechanical properties in covalent amorphous solids, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63424-z

Источник: University of Osaka

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как передовые математические методы позволяют заглянуть в фундаментальные основы материаловедения. Понимание связи между иерархической структурой и свойствами материалов открывает путь к целенаправленному созданию новых материалов с заданными характеристиками, что крайне актуально в 2025 году для таких областей, как гибкая электроника и эффективные энергоустройства.