This post is also available in: Holenderski Angielski Francuski Niemiecki Włoski Portugalski, Portugalia Hiszpański

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad właściwościami szkła krzemionkowego? Rozważ to.

Według serwisu Nautre.com:

„W licznych badaniach wykazano, że szkło krzemionkowe ma znaczną zdolność do trwałego zagęszczania pod ciśnieniem w różnych temperaturach, tworząc amorficzną krzemionkę o wysokiej gęstości (HDA). Nie wiadomo jednak, w jakim stopniu procesy prowadzące do nieodwracalnego zagęszczania szkła krzemionkowego podczas prasowania na zimno w temperaturze pokojowej i prasowania na gorąco (np. w pobliżu temperatury zeszklenia) są powszechne w przyrodzie. W pracy zastosowano technikę prasowania na gorąco do hartowania szkła krzemionkowego w warunkach wysokiej temperatury (1100 °C) i wysokiego ciśnienia (do 8 GPa), co prowadzi do wzrostu gęstości o ~25% i wzrostu modułu Younga o ~71 % w stosunku do nieskazitelnego szkła krzemionkowego w warunkach otoczenia. Nasze eksperymenty i symulacje dynamiki molekularnej (MD) dostarczają solidnych dowodów na to, że porządek pośredni skompresowanej na gorąco krzemionki HDA różni się od jej odpowiednika skompresowanej na zimno w temperaturze pokojowej. Wyjaśnia to znacznie wyższą stabilność termiczną i mechaniczną tych pierwszych niż drugie po podgrzaniu i ściskaniu, co ujawniono w naszych eksperymentach z rozpraszaniem światła Brillouina (BLS) in situ. Nasze badania wykazują ograniczenie uzyskanej gęstości jako strukturalnego wskaźnika poliamorfizmu i wskazują na znaczenie temperatury podczas ściskania dla fundamentalnego zrozumienia krzemionki HDA.

„Jako archetypowy tlenek tworzący sieć ze sztywnymi czworościennymi blokami konstrukcyjnymi, szkło krzemionkowe (i stopienie) były celem licznych badań wysokociśnieniowych w fizyce materii skondensowanej, materiałoznawstwie i naukach o ziemi itp.1,2,3, 4 Szkło krzemionkowe może ulegać odwracalnym i nieodwracalnym przemianom amorficznym-amorficznym (poliamorficznym) pod ciśnieniem, prowadzącym do elastycznego zmiękczenia przy wstępnym ściskaniu5,6,7,8,9 i trwałego zagęszczenia pod wysokim ciśnieniem9,10,11,12,13,14 ,15. W temperaturze pokojowej (kompresja na zimno), przy ciśnieniu powyżej 8–9 GPa zachodzi nieodwracalna przemiana poliamorficzna, a odzyskane szkło ma zwiększoną gęstość, osiągając maksymalne zagęszczenie ~21% po kompresji przy 18–20 GPa6,9,15 ,16. Taki sam lub nawet większy stopień zagęszczenia można osiągnąć przy znacznie niższych ciśnieniach (4–8 GPa) w wysokich temperaturach (kompresja na gorąco)13,17,18,19,20,21,22,23,24. Do tej pory nie wiadomo, czy ta sama transformacja strukturalna zachodzi podczas prasowania na zimno i na gorąco szkła krzemionkowego i czy strukturę i właściwości krzemionki HDA można zrozumieć wyłącznie na podstawie uzyskanej gęstości.

„W tym badaniu sprasowaliśmy próbki szkła krzemionkowego do ciśnień do 8 GPa, utrzymywaliśmy je w temperaturze 1100 °C (Tg ≈ 1200 °C) przez 30 minut i szybko schłodziliśmy je do temperatury pokojowej przed zwolnieniem ciśnienia. Stwierdzono, że w warunkach otoczenia struktura i właściwości krzemionki HDA otrzymanej w niniejszym prasowaniu na gorąco są różne od tych z krzemionki prasowanej na zimno w obu charakterystyce eksperymentalnej, takiej jak dyfrakcja rentgenowska, Ramana i BLS oraz w symulacjach MD. Badania BLS in situ w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem dostarczają solidnych dowodów na to, że stabilność termiczna i mechaniczna sprężonej na gorąco i skompresowanej na zimno krzemionki HDA jest bardzo różna. Nasze symulacje MD ujawniają różne procesy atomowe zaangażowane w prasowanie na zimno i na gorąco szkła krzemionkowego oraz różnice strukturalne w krzemionce HDA uzyskanej różnymi drogami. Nasze badanie pokazuje ograniczenie uzyskanej gęstości jako strukturalnego wskaźnika poliamorfizmu oraz znaczenie temperatury podczas ściskania w celu fundamentalnego zrozumienia przemian poliamorficznych w szkle krzemionkowym.

Wyniki

„Zagęszczanie szkła krzemionkowego w funkcji ciśnienia hartowania z prasowania na gorąco w tym badaniu pokazano na ryc. 1, wraz z danymi z kompresji na zimno w temperaturze pokojowej przeprowadzonej przez Rouxel et al.15 i Deschamps et al.12, w 400 °C przez Mackenzie13 oraz Arndta i Stöfflera17, w 700 °C przez Poe et al.18, przy 900 °C według Hoflera i Seiferta19. Rysunek 1 wyraźnie pokazuje, że wielkość trwałego zagęszczenia zależy od temperatury, w której przeprowadzono prasowanie. Różnica staje się mniejsza, gdy temperatura zbliża się do Tg nieskazitelnego szkła krzemionkowego. Na przykład kompresja na gorąco w 900°C w badaniu Hoflera i Seiferta19 oraz w 1100 °C w tej pracy daje prawie takie samo zagęszczenie. Rysunek 1 pokazuje również, że prasowanie na gorąco w stanie niesztywnym (bliskim Tg nieskazitelnego szkła krzemionkowego) jest znacznie skuteczniejsze niż prasowanie na zimno w stanie sztywnym w temperaturze pokojowej w zwiększaniu gęstości szkła krzemionkowego. Przy ciśnieniu hartowania 8 GPa gęstość szkła krzemionkowego wzrasta w naszych badaniach o blisko 25%, w porównaniu do ~21% maksymalnego wzrostu uzyskanego przez prasowanie na zimno pod znacznie wyższymi ciśnieniami przy 18–20 GPa6,9,15,16. Powyższe obserwacje pokazują, że temperatura ułatwia zagęszczanie szkła krzemionkowego pod ciśnieniem, prawdopodobnie poprzez umożliwienie różnych przekształceń strukturalnych, które w innym przypadku nie byłyby możliwe w temperaturze pokojowej.

„Całkowity rentgenowski współczynnik struktury S(q) próbek prasowanych na gorąco w warunkach otoczenia pokazano na ryc. 2A. Położenie pierwszego ostrego piku dyfrakcyjnego (FSDP) i jego pełną szerokość w połowie maksimum (FWHM) można zobaczyć na ryc. S4. FSDP jest powiązany z pośrednim porządkiem sieci krzemionkowej o długości korelacji (R): , gdzie jest położeniem FSDP. Długość koherencji (L) szacuje zakres, w którym okresowość przetrwa i może być obliczona jako: , gdzie jest FWHM FSDP25. Podobnie jak w przypadku zagęszczonego szkła krzemionkowego prasowanego na zimno, pozycja FSDP prasowanej na gorąco krzemionki przesuwa się do wyższych wartości q wraz ze wzrostem ciśnienia hartowania, wynikającego z zagęszczenia struktury. Jednak w przeciwieństwie do prasowania na zimno26, FSDP prasowanej na gorąco krzemionki zwęża się (ryc. S4B), a jej intensywność nie zmniejsza się znacząco wraz z ciśnieniem, jak widać na ryc. 2A, podobnie jak obserwacje z naszych symulacji MD na ryc. S5. Zachowania te zaobserwowano również podczas pomiarów in situ sprężonego szkła krzemionkowego ogrzewanego jednocześnie w badaniu Inamura et al.21 lub krzemionki HDA zagęszczonej w temperaturze 500°C27. Wskazuje to, że porządek w zakresie pośrednim dla krzemionki prasowanej na zimno zasadniczo zmienia się pod ciśnieniem. Poszerzenie FSDP wskazuje, że długość koherencji dramatycznie maleje lub pośredni zakres rzędu szkła krzemionkowego prasowanego na zimno staje się niejednorodny. Wręcz przeciwnie, zwężenie FSDP w prasowanej na gorąco krzemionce HDA widoczne na rys. S4B pokazuje, że odpowiedzialne cechy strukturalne w zakresie pośrednim są mniej zróżnicowane wraz ze wzrostem ciśnienia hartowania. Długość koherencji wynosi 10,12 Å dla nieskazitelnego szkła krzemionkowego i 11,55 Å dla próbki HC-8 GPa (hartowanej z 8 GPa w temperaturze 1100 °C), co oznacza wzrost o 12,4%. Omówienie funkcji korelacji w przestrzeni rzeczywistej G(r) można znaleźć w Rozdz. 5.

„Wpływ ciśnienia hartowania na strukturę szkła krzemionkowego można również zaobserwować na widmach Ramana w warunkach otoczenia na ryc. 2B. Główne pasmo Ramana (~440 cm−1) stopniowo zwęża się i przesuwa do 495 cm−1 wraz ze wzrostem ciśnienia hartowania od 0 do 8 GPa (rys. S7A). Wskazuje to na mniejszą wartość średnią i węższy rozkład kątów Si-O-Si w prasowanym na gorąco szkle krzemionkowym. Dla porównania wykazano, że główne pasmo Ramana przesuwa się od 440 cm-1 do 530 cm-1 w prasowanym na zimno szkle krzemionkowym w zakresie elastycznego powrotu P

„Zmiany struktury szkła krzemionkowego w funkcji ciśnienia hartowania podczas prasowania na gorąco prowadzą do znacznego wzrostu modułów sprężystości, co widać na rys. 3A (szczegóły dotyczące pomiarów modułu sprężystości można znaleźć w informacji pomocniczej, rozdz. 7). Gdy ciśnienie hartowania wzrasta z 0 do 8 GPa, moduł Younga wzrasta z 72 do 123 GPa (71%), a moduł ścinania wzrasta z 32 do 50 GPa (61%), znacznie wyżej niż wzrost gęstości (25%) w Figa. 1. Figura 3B pokazuje, że poniżej 20% wzrostu gęstości, krzemionka HDA z prasowania na gorąco ma wyższy moduł objętościowy niż ten z prasowania na zimno przy takim samym stopniu zagęszczenia. Powyżej 20% przyrostu gęstości różnica zmniejsza się wraz ze wzrostem zagęszczenia. Podobne trendy można zaobserwować w module Younga i module sprężystości poprzecznej na ryc. S10. Wbrew wnioskom Deschampsa i wsp.12, nasze badanie pokazuje, że moduły sprężystości zależą nie tylko od stopnia zagęszczenia, ale także od drogi dojścia do trwałego zagęszczenia. Powyższe obserwacje pokazują, że istnieje pewna różnica między krzemionką HDA prasowaną na zimno i prasowaną na gorąco, która nie wyróżnia się gęstością.

„Skompresowana na zimno i skompresowana na gorąco krzemionka HDA naprawdę różnią się od siebie dramatycznie odmienną reakcją na wstrząsy termiczne i mechaniczne. Jak widać na ryc. 4A, dla próbki HC-6 GPa (wygaszonej z 6 GPa w 1100 °C, wzrost gęstości o 23%), po trzymaniu w 500 °C przez 15 h, zmiana podłużnego przesunięcia częstotliwości Brillouina jest nieznaczna (z której moduł wzdłużny można obliczyć na podstawie gęstości próbki i współczynnika załamania). Gdy temperatura jest wyższa niż 650 °C, przesunięcie częstotliwości Brillouina szybko maleje i łączy się z nieskazitelnym szkłem krzemionkowym w temperaturach powyżej 1000 °C. Po tym nie ma różnicy między próbką HC-6 GPa a nieskazitelnie czystym szkłem krzemionkowym, ponieważ krzywa chłodzenia pierwszego pokrywa się doskonale z krzywą nagrzewania drugiego. Natomiast dla próbki CC-18 GPa (wygaszonej od 18 GPa w temperaturze pokojowej, 17% wzrost gęstości), spadek przesunięcia częstotliwości Brillouina zaczyna się nawet w temperaturze pokojowej32. Dramatyczne różnice w reakcji na temperaturę wskazują, że struktura prasowanej na gorąco i prasowanej na zimno krzemionki HDA jest jednoznacznie odmienna.

„Jak widać na ryc. 4B i we wstawce, w przypadku nieskazitelnego szkła krzemionkowego skompresowanego na zimno w temperaturze pokojowej, przesunięcie częstotliwości Brillouina początkowo maleje wraz z ciśnieniem, osiąga minimum około 2–3 GPa, a następnie wzrasta jako normalne ciało stałe. Jest to związane z dobrze znaną anomalią sprężystości szkła krzemionkowego pod ciśnieniem5,6,7,8,9. Wraz ze wzrostem ciśnienia hartowania minimum w przesunięciu częstotliwości maleje i przesuwa się do wyższego ciśnienia badawczego i ostatecznie zanika w próbkach HC-6 i HC-8 GPa, co widać na wstawce do ryc. 4B. Dla próbki HC-6 GPa przesunięcie częstotliwości nie zmienia się przy ciśnieniu do 5-6 GPa, a następnie przyjmuje nieznacznie dodatnie nachylenie podobne do tego dla próbki HC-8 GPa. Nasze badanie jest zgodne z poprzednimi badaniami6,9,33,34 oraz z obserwacjami z naszych symulacji MD (ryc. S12), że anomalia sprężystości stopniowo zanika wraz ze stopniem zagęszczenia. Jak pokazano na ryc. 4B, większe ciśnienia (P > 15 GPa) są potrzebne w kompresji na zimno w celu wyeliminowania anomalii sprężystości. Grimsditch wykazał, że ściskanie na zimno poza reżimem odkształcenia sprężystego prowadzi do zagęszczonego szkła krzemionkowego, które jest następnie zdolne do odkształcenia sprężystego po ponownym ściskaniu do maksymalnego ciśnienia początkowego ściskania6. Dlatego krzywa rekompresji próbek CC-15 GPa i CC-22 GPa na rys. 4B pokrywałaby się z krzywymi dekompresji od 15 GPa i 22 GPa9, co daje nam możliwość porównania odpowiedzi sprężonego na zimno i skompresowanego na gorąco szkła krzemionkowego na ciśnienie testowe. Rysunek 4B pokazuje, że zmiany strukturalne szkła krzemionkowego podczas prasowania na zimno znacznie różnią się od kompresji na gorąco: 1) do osiągnięcia porównywalnych przesunięć częstotliwości Brillouina wymagane są znacznie wyższe ciśnienia (15 GPa i 22 GPa w kompresji na zimno w porównaniu z 4 i 8 GPa w kompresji na gorąco); 2) w próbce CC-15 GPa nie ma minimum elastycznego, natomiast w próbce HC-4 GPa nadal istnieje wyraźne minimum; 3) próbka CC-22 GPa wykazuje znacznie większy wzrost przesunięcia częstotliwości Brillouina wraz ze wzrostem ciśnienia próbnego w porównaniu z próbką HC-8 GPa. Ponadto próbki HC-6 GPa i HC-8 GPa zachowują elastyczność odpowiednio do 20 GPa i 26 GPa (rys. S11), które są w każdym przypadku maksymalnym testowanym ciśnieniem. To pokazuje, że próbki prasowane na gorąco mają znacznie wyższy próg dla nieodwracalnych zmian strukturalnych, nawet trzykrotnie wyższy niż w przypadku nieskazitelnego szkła krzemionkowego, które może być nieodwracalnie zagęszczone przy 8-9 GPa6,9,15,16.

Dyskusja

„Powyższe obserwacje pokazują, że prasowanie na gorąco w stanie niesztywnym może prowadzić do wyjątkowej struktury i właściwości, których nie można osiągnąć przez prasowanie na zimno w stanie sztywnym. W przeciwieństwie do wniosków wyciągniętych z poprzednich badań sprężonej na gorąco i sprężonej na zimno krzemionki HDA w warunkach otoczenia12,24, nasze pomiary in-situ BLS reakcji krzemionki HDA na wstrząsy termiczne i mechaniczne pokazują, że struktura i właściwości krzemionki HDA silnie zależą od temperatury, w której odbywa się kompresja, a nie tylko od wynikowego zagęszczania.

„Unikalna reakcja skompresowanej na gorąco krzemionki HDA na wstrząsy termiczne i mechaniczne na ryc. 4 bez wątpienia wynika z wyraźnej podstawowej struktury, jak widać na ryc. 2, chociaż szczegóły w skali atomowej są trudne do uzyskania na podstawie samych eksperymentów. W tym celu przeprowadziliśmy klasyczne symulacje MD, aby zilustrować procesy atomowe zaangażowane w ściskanie w stanie sztywnym i niesztywnym oraz różnice strukturalne między tłoczoną na zimno i tłoczoną na gorąco krzemionką HDA. Rysunek 5A przedstawia statystyki pierścieni nieskazitelnego, prasowanego na zimno i na gorąco szkła krzemionkowego. Podobnie jak w przypadku poprzednich pierwszych zasad35 i klasycznych symulacji MD36, sześcioczłonowe pierścienie są najliczniejsze w szerokim zakresie rozmieszczenia pierścieni w nieskazitelnym szkle krzemionkowym. Wraz ze wzrostem zagęszczenia w kompresji na zimno zmniejsza się populacja pierścieni sześcioczłonowych, pojawiają się coraz większe pierścienie (ośmioczłonowe i wyższe). Innymi słowy, rozkład rozmiarów pierścionków jest rozciągnięty i przekrzywiony w prawo. W próbce HC-8 GPa siedmioczłonowe pierścienie stają się dominujące, ale rozkład wielkości pierścieni jest mniej więcej symetryczny, podobnie jak w nieskazitelnym szkle krzemionkowym. Pokazuje to, że pośrednie rządy (lub łączność sieciowa) w krzemionce HDA skompresowanej na zimno i skompresowanej na gorąco są różne. Dalsze dowody są widoczne w rozkładzie wielkości porów na ryc. 5B. W nieskazitelnym szkle krzemionkowym istnieje szeroki zakres porów (o średnicy 1–6 Å). Wraz ze wzrostem zagęszczenia w sprężonej na zimno krzemionce zmniejsza się wielkość najbardziej prawdopodobnych porów, odpowiadając zagęszczonej strukturze. Jednak nadal występuje znaczna część porów o średnicach 4–5 Å. Z drugiej strony, w krzemionce prasowanej na gorąco, te duże pory są całkowicie wyeliminowane, a rozkład wielkości porów staje się węższy i bardziej symetryczny. Figura 5B wyraźnie pokazuje, że porządek w zakresie pośrednim w prasowanej na gorąco krzemionce HDA jest bardziej jednorodny (jednorodny) niż w odpowiedniku prasowanym na zimno. Jest to zgodne z pomiarami XRD, że w pierwszym przypadku obserwuje się węższe i bardziej intensywne FSDP niż w drugim. Rysunek 5A pokazuje również, że w tłoczonej na zimno krzemionce HDA populacja pierścieni 3- i 4-członowych nie zmienia się znacząco w stosunku do nieskazitelnego szkła krzemionkowego. Wyższa intensywność piku D2 w widmie Ramana sprężonego na zimno szkła krzemionkowego na ryc. S8 najprawdopodobniej wynika ze znacznych przegrupowań w strukturze sieci, z którą te małe pierścienie są połączone iw której drgają.

„Niejednorodna pośrednia kolejność w sprężonej na zimno krzemionce HDA jest odziedziczona po materiale wyjściowym. Ponieważ nieskazitelne szkło krzemionkowe jest niejednorodnym ciałem stałym w skali atomowej; po ściskaniu w stanie sztywnym różne obszary reagują na nacisk w różny sposób. Niektóre regiony są zdeformowane bardziej niż inne, co prowadzi do większych zmian strukturalnych lokalnie. Po dekompresji, część tych strukturalnych modyfikacji zostaje schłodzona do warunków otoczenia, co w naturalny sposób prowadzi do niejednorodnej, ale gęstszej substancji stałej. Z drugiej strony, spadku lepkości, a tym samym spadku Tg pod wpływem ciśnienia dla szkła krzemionkowego oczekuje się z symulacji MD37 oraz z pomiarów lepkości dla materiałów o podobnej strukturze, takich jak woda, krzemiany i ciecze germanowe pod wysokim ciśnieniem38,39,40. Po ściskaniu w stanie niesztywnym, ze względu na krótkie czasy relaksacji dla lepkiego przepływu, można szybko uzyskać jednorodną, gęstszą strukturę cieczy w równowadze poprzez skoordynowane ruchy czworościenne, a następnie zamrozić w temperaturze zeszklenia po hartowaniu, co daje jednorodność gęstsze szkło. Zarówno w przypadku krzemionki HDA prasowanej na zimno, jak i prasowanej na gorąco, potrzebne są istotne układy strukturalne, aby dostosować się do zagęszczonego upakowania czworościanów SiO4. Jednak prasowana na zimno krzemionka HDA ma strukturę gęstego i zdezorganizowanego szkła sprasowanego w stanie sztywnym, podczas gdy prasowany na gorąco odpowiednik ma strukturę gęstej zamrożonej i dobrze zorganizowanej cieczy sprasowanej w stanie niesztywnym. Zarówno w prasowaniu na zimno, jak i prasowaniu na gorąco, przejściowe 5- i 6-krotne formy Si mogą tworzyć się pod ciśnieniem z powodu mechanizmu przemieszczania, a nie aktywowania termicznie związanego ze zmianą koordynacji41,42. Jednak po zwolnieniu nacisku te wyższe stany koordynacji Si powracają do czterokrotnego stanu koordynacji26,43,44,45. W oparciu o ostatnie badania gęstości liczby tlenu46, nawet nasza sprasowana na gorąco krzemionka HDA o największym wzroście gęstości (25%) nadal mieści się w oczekiwanym zakresie dla w pełni spolimeryzowanego szkieletu czworościennego.

„Różne pośrednie kolejność skompresowanej na zimno i na gorąco krzemionki HDA wyjaśnia ich odmienną reakcję na temperaturę i ciśnienie. W tłoczonej na zimno krzemionce HDA nadal istnieje znaczna ilość dużych porów (o średnicy >4 Å), które zapewniają otwartą przestrzeń (wolną objętość) niezbędną do zmian strukturalnych po wyżarzaniu. Bez nich zagęszczona struktura z prasowania na gorąco może być utrzymywana w znacznie wyższych temperaturach przed powrotem do stanu niezgęszczonego, a tym samym znacznie wyższa stabilność termiczna w porównaniu do struktury prasowanej na zimno (rys. 4A). Niejednorodna struktura średniego zakresu sprężonej na zimno krzemionki HDA sprawia, że jest ona podatna na dalsze zmiany strukturalne, takie jak zmiana koordynacji pod ciśnieniem, co wyjaśnia szybszy wzrost przesunięcia częstotliwości Brillouina pod wpływem ciśnienia niż w przypadku sprężonego na gorąco. odpowiednik (rys. 4B).

Metody

„Użytym wyjściowym szkłem krzemionkowym jest Suprasil 300 o niskiej zawartości OH (≤1 ppm). Próbki hartowane pod ciśnieniem do 4 GPa przygotowano w aparacie tłokowo-cylindrowym (PC)47, natomiast pod ciśnieniem 4 do 8 GPa w urządzeniu wielokowadełkowym typu Walker (MA)48,49. Cylindry o średnicy 3 mm wywiercono rdzeniowo z krążka materiału wyjściowego i pocięto na długość 6 mm do eksperymentów PC i długość 3 mm do zastosowania w MA. Szczegóły przygotowania próbki i różnice w przyłożonych ciśnieniach między dwoma aparatami są omówione w Dodatkowe informacje rozdz. 1 i 2.

„Do pomiaru współczynnika załamania światła w temperaturze pokojowej (dokładność ±0,0002) za pomocą zielonego lasera 532 nm użyto Metricon Model 2010/M Prism Coupler. Gęstość naszych sprasowanych na gorąco próbek została określona na podstawie liniowego współczynnika załamania światła w funkcji gęstości ustalonej przez Tan i wsp.50 i pokazanej na ryc. S3.

„Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego w warunkach otoczenia została zmierzona na linii wiązki X17B3 w National Synchrotron Light Source (NSLS) w Brookhaven National Lab, obsługiwanym przez COMPRES. Rozpraszanie dyspersyjne kątowe przeprowadzono przy użyciu promieniowania rentgenowskiego monochromatycznego o długości fali 0,152901 ± 0,0001 Å51, skupionego do ~15 μm w odległości L = 293,73 mm od detektora CCD o powierzchni 1678 cm2. Odległość i energię skalibrowano metodą dyfrakcji proszkowej CeO2 przy użyciu iteracyjnej metody dopasowywania pierścieni51. Umożliwiło to badanie promieniście symetryczne wartości q do 24 Å−1, ale ze względu na szum w wyższym zakresie q, widma zostały obcięte przy 18 Å−1. Program Fit2D52 został wykorzystany do przetwarzania nieprzetworzonych danych dyfrakcji rentgenowskiej w celu wygenerowania 1-wymiarowych wykresów natężenia w funkcji 2θ, a program RAD53 został użyty do wygenerowania widm S(q) i G(r).

„Do przeprowadzenia eksperymentów z rozpraszaniem światła wykorzystano sześcioprzebiegowy interferometr Fabry-Pérot o wysokim kontraście w połączeniu z konfokalnym mikroskopem ramanowskim LabRAM HR800 przy użyciu zielonego lasera 532 nm jako sondującego źródła światła. Rozpraszanie Ramana przeprowadzono w geometrii wstecznego rozproszenia (180°) z soczewką mikroskopu 50x i siatką 600 gr/mm. W pomiarach BLS zastosowano emulowaną geometrię płytek, umieszczając próbkę na dobrze wypolerowanej płytce Pt54. BLS in-situ podczas wyżarzania przeprowadzono przy użyciu stopnia grzewczego Linkam TS1500. Próbkę ogrzewano z szybkością 50 °C/min do temperatury docelowej (±1 °C) i pozostawiono do zrównoważenia przez 10 minut, po czym pobrano widma Brillouina przez ~2–5 minut. Do generowania ciśnień hydrostatycznych do 26 GPa zastosowano przetwornik DAC napędzany membraną. Próbkę szkła (o wymiarach ~100 μm × 100 μm × 20 μm), rubinową kulkę (o średnicy 5–10 μm jako kalibrator ciśnienia) oraz medium przenoszące ciśnienie (PTM) załadowano do otworu wywierconego w uszczelce ze stali nierdzewnej. Ciśnienie w DAC określono na podstawie zależnego od ciśnienia przesunięcia fluorescencji rubinu55. Warunki hydrostatyczne do 15 GPa osiągnięto stosując mieszaninę 4:1 metanol:etanol jako PTM. W przypadku testów powyżej 15 GPa ciekły argon został kriogenicznie załadowany do przetwornika cyfrowo-analogowego, aby działał jako PTM. Po osiągnięciu określonego ciśnienia w przetworniku cyfrowo-analogowym próbkę pozostawiono do zrównoważenia przez 15–20 minut przed wykonaniem jakiegokolwiek pomiaru. Wzdłużne przesunięcie częstotliwości uzyskano z geometrii rozproszenia wstecznego BLS w przetworniku cyfrowo-analogowym przy użyciu soczewki o f = 50,8 mm. Powtarzane pomiary dawały błędy w przesunięciach częstotliwości Brillouina wynoszące ~0,1 GHz, błędy w ciśnieniu oszacowano na podstawie powtarzanych pomiarów na poziomie 0,1 GPa.

„Symulacje dynamiki molekularnej (MD) przeprowadzono dla 3000 cząstek (1000 Si i 2000 O) w okresowych warunkach brzegowych, wykorzystując potencjał trójciałowy z przeniesieniem ładunku56. Sprasowane na gorąco próbki otrzymano przez podgrzanie i stopienie krzemionki krystobalitowej, a następnie schłodzenie cieczy pod różnymi ciśnieniami w komorze symulacyjnej34. Ciśnienia zostały zwolnione i wszystkie późniejsze testy przeprowadzono w temperaturze pokojowej. W przypadku próbek skompresowanych na zimno, aby przezwyciężyć ograniczenia czasowe w symulacji MD, nieskazitelne szkło krzemionkowe zostało podgrzane do 727 °C (Tg przy ~2700°C w MD) i skompresowane do różnych ciśnień w celu ułatwienia procesu zagęszczania. Ciśnienia zwolniono w 727°C i próbki schłodzono do temperatury pokojowej do dalszych testów. Gęstość próbki HC-8 GPa z naszej symulacji MD wynosi 2,750 g/cm3, zbliżona do wartości 2,742 g/cm3 dla próbki sprasowanej na gorąco pod tym samym ciśnieniem w naszym eksperymencie. Więcej szczegółów na temat przygotowania próbki i analizy rozkładu wielkości pierścieni można znaleźć w naszych poprzednich badaniach34,36,57,58. Rozkład wielkości porów obliczono, postępując zgodnie z procedurami w pracy Gelba i Gubbinsa59.”

Źródło