日本の化学者は、構造が非常に似ている液体酸化ケイ素と水が結晶化中に同じように振る舞うが、ガラス状態の形成メカニズムが著しく異なる理由を確立しました。最初の特性は、2つの物質で同じである並進対称性の破壊のダイナミクスによって決定され、2番目の特性は配向対称性の破壊のプロセスによって決定されることが判明しました。化学結合、科学者は全米科学アカデミーの議事録に書いています。
四面体分子によって形成された液体は、かなり珍しい特性を持っています。特に、密度の異常が特徴であり、そのため、最大密度は固体ではなく液体の状態に特徴的です。これは、結晶内部に空洞が形成され、密度が低下するためです。これは、液相では一般的ではありません。このような液体の典型的な例は、水（室温）または酸化ケイ素（摂氏数千度の温度）です。同時に、多くの類似点にもかかわらず、そのような「四面体流体」のいくつかの物理的特性は著しく異なります。特に、酸化ケイ素はガラス状のアモルファス相の形成を特徴としますが、水はそうではありません。さらに、液体の水の密度は、酸化ケイ素の密度よりも温度変化にはるかに敏感です。
正四面体対称の分子によって形成される結晶の物理的特性の類似点と相違点の正確な理由を確立するために、東京大学の日本の化学者RuiShiとHajimeTanakaは、水分子によって形成される液体の局所対称性を破るプロセスをシミュレートしました。酸化シリコン..。研究対象の液体では、結晶とは対照的に、長距離秩序はありませんが、分子間の低エネルギー結合の形成により、短距離（局所）秩序があります。まず、複数の行にわたる隣接分子間の距離原子の数はかなり厳密に決定され、第二に、液体中の隣接する分子の配向も一貫していることがわかります。温度と圧力の変化に伴うこれら2種類の対称性のそれぞれの破壊のダイナミクスは、それから形成される液体と結晶の物理的特性を決定します。
分子動力学法によるコンピューターシミュレーションの助けを借りて、科学者は密度異常の発生が四面体流体の並進対称性の破壊によって引き起こされることを示すことができました。水と酸化ケイ素の場合、このプロセスは非常によく似た方法で進行します。したがって、密度の温度と圧力への依存性は、絶対値で大きくシフトしますが、質的には非常に似ています。したがって、水の最大密度は摂氏約4度の温度で観察され、酸化ケイ素の最大密度は約5000度の温度で観察されます。物質の密度の圧力依存性も同様に変化します。
水と酸化ケイ素の密度の温度と圧力への依存性
2つの四面体流体の類似性が、液体の並進対称性の破壊のプロセスによって決定される場合、その違いは、結局のところ、配向対称性の破壊の異なるメカニズムによって引き起こされます。研究対象の液体中の隣接する分子の誤配向のプロセスは、個々の分子間の結合の性質に依存します。これは、水と酸化ケイ素では異なります。酸化ケイ素の構造には、そのような分子はなく、ケイ素原子は酸素原子と4つの同等の結合を形成します。これにより、それらの移動度が制限され、結合と配向の方向性が目立たなくなります。
水の構造では、酸素原子は共有結合によって2つの水素原子に結合し、構造内の他の2つの結合は水素であり、エネルギーははるかに低くなります。配向対称性の破壊のダイナミクスに顕著な違いをもたらし、水が容易に秩序相に結晶化するのを可能にするのはこの違いであり、逆に、酸化ケイ素はアモルファスガラス構造を形成します。
研究の著者によると、正四面体液体の局所対称性の破壊プロセスとその物理的特性との関係は、水や酸化ケイ素だけでなく他の液体の物理的特性の性質をより正確に理解するのに役立ちます特徴的な正四面体対称性を持つ分子で構成されています：炭素、ゲルマニウム、シリコン、フッ化ベリリウムまたは酸化ゲルマニウム。
それらの機械的特性の点で、アモルファスの固体と液体は結晶性材料とはかなり異なります。これらのプロセスの基本法則と、アモルファス材料の塑性変形、欠陥、亀裂の伝播のダイナミクスを研究するために、科学者は実験方法とコンピューターシミュレーションの両方を使用します。興味深いことに、急速な変形により、亀裂は固体のアモルファス材料だけでなく粘弾性流体にも現れる可能性があります。
