Szkło krzemianowe w uścisku ultra wysokich ciśnień

Symulowana struktura SiO2

Struktura SiO2 — symulacja graficzna

W Journal of Applied Physics ukazała się publikacja poświęcona strukturalnym i cieplnym właściwościom SiO2 poddanego ciśnieniom dochodzącym do 16 GPa. To efekt prac inż. Adama Puchalskiego i inż. Antona Hula realizowanych pod opieką naukową dr. hab. inż. Tomasza Pietrzaka we współpracy z prof. Pawłem Kęblińskim z Rensselaer Polytechnic Institute.

Tlenek krzemu SiO2 jest składnikiem niemal wszystkich powszechnie stosowanych szkieł, a czyste szkło krzemianowe uważane jest z modelowy przykład szkła o strukturze czworościennej — w normalnych warunkach jeden atom krzemu wiążę się z czterema atomami tlenu. Metody opracowane dla SiO2 można często przełożyć na inne materiały szkliste i istnieje dużo badań eksperymentalnych, aby zweryfikować otrzymane wyniki. Dzięki zastosowanemu modelowaniu metodami dynamiki molekularnej możliwe było zastosowanie ciśnień, które trudno jest osiągnąć w metodach eksperymentalnych. Potwierdzono, że szkła poddane tak wysokim ciśnieniom ulegają trwałej densyfikacji (zwiększeniu gęstości). Zbadano, że powodem tych zmian strukturalnych nie jest zmiana długości wiązań, ale pojawienie się atomów krzemu w koordynacji pięciokrotnej (typowo krzem występuje w koordynacji czterokrotnej). Głównym wynikiem pracy było wyznaczenie przewodności cieplnej ściśniętych szkieł i porównanie wyników z modelem teoretycznym. 

— Najtrudniejszą częścią pracy było znalezienie metody na obliczenie przewodności cieplnej, która daje wiarygodne wyniki – wspomina swoje wysiłki Adam. — Potrzeba było wielu prób, ale w końcu udało się znaleźć sposób zastosowania metody Green-Kubo tak, aby ograniczyć szum wynikający z małego rozmiaru struktury. Sam wzrost gęstości jest zgodny z wynikami eksperymentalnymi, co jest koniecznym warunkiem, aby symulację uznać za odzwierciedlającą rzeczywistość. Metody dynamiki molekularnej pozwalają na wgląd w zachowania pojedynczych atomów, co pozwoliło nam zbadać powstawanie i rozłożenie atomów krzemu o koordynacji 5. Tego typu wyniki bardzo trudno byłoby otrzymać eksperymentalnie. 

— Jak pokazaliśmy w pracy, nawet w stosunkowo prostych i na tyle dobrze zbadanych związkach, jak szkło krzemianowe, nadal ukryte są bardzo ciekawe zjawiska fizyczne — mówi Anton. — W naszej pracy zjawiskiem takim była klasteryzacja atomów krzemu o koordynacji pięciokrotnej. Dość zaskakująca, uwzględniając, że badaliśmy materiał zupełnie homogeniczny. Ponadto, według naszych przypuszczeń, klastry atomów krzemu są odpowiedzialne za rozpraszanie fotonów o niskich częstotliwościach i stanowią główną przyczynę ograniczenia wzrostu przewodności cieplnej w wysokich ciśnieniach.  

Publikacja jest efektem prac naukowych prowadzonych przez inż. Adama Puchalskiego, najpierw w ramach Indywidualnej Opieki Naukowej, a potem w ramach pracy inżynierskiej. Inż. Anton Hul wykorzystał doświadczenie zdobyte w realizowanej wcześniej pracy inżynierskiej, dzięki czemu mógł efektywnie włączyć się w prace zespołu. Prace realizowane były we współpracy z prof. Pawłem Kęblińskim, światowej sławy ekspertem z dynamiki molekularnej, dyrektorem Materials Science and Engineering Department w Rensselaer Polytechnic Institute. RPI, mający swoją siedzibę w Troy w stanie Nowy Jork, jest najstarszą uczelnią techniczną na półkuli zachodniej. 

Z pracą można się zapoznać pod adresem https://doi.org/10.1063/5.0183508