Emergent medium-range order in amorphous silicon

Materialen die een rigide, herhalende kristalstructuur missen, zijn overal te vinden, van het glas in onze ramen tot de silicon chips die onze computers aandrijven. In deze ongeordende vaste stoffen, bekend als amorfe materialen, staan atomen niet in nette, langlopende rijen opgesteld zoals soldaten in een parade. In plaats daarvan zijn ze door elkaar gehusseld, maar ze zijn ook niet volledig willekeurig. Wetenschappers weten al lang dat deze materialen beschikken over een verborgen laag organisatie die zich tussen de directe buren van een atoom en de uitgestrekte, vormloze massa van het bulkmateriaal bevindt. Deze verborgen laag, het medium-range order genoemd, is cruciaal omdat het bepaalt hoe het materiaal zich gedraagt, hoe het elektriciteit geleidt en hoe het reageert op druk. Echter, decennialang bleef de exacte aard van deze organisatie een mysterie. Het is moeilijk te zien omdat de instrumenten die gebruikt worden om naar atomen te kijken, het beeld op deze specifieke afstanden meestal vervagen, waardoor onderzoekers achterblijven met een wazig beeld van hoe de stukjes in het middengebied in elkaar passen.

Een team van onderzoekers heeft nu een deel van die mist weggeveegd door een krachtige nieuwe methode te gebruiken om amorf silicium te bestuderen, een materiaal dat dient als een perfect model voor het begrijpen van deze ongeordende netwerken. In plaats van te proberen het materiaal met een microscoop te bekijken, bouwden ze een enorme digitale replica met honderdduizend atomen en observeerden hoe dit zich onder verschillende omstandigheden gedroeg. Ze begonnen met een versie van het materiaal met een lage dichtheid, waarbij de atomen losjes met elkaar verbonden zijn, en persten het vervolgens samen totdat het extreem dicht werd. Door de positie van elk afzonderlijk atoom in deze gigantische simulatie te volgen, waren ze in staat de onzichtbare architectuur van het materiaal in kaart te brengen met een precisie die experimenten nog niet kunnen bereiken. Wat ze vonden, was een verrassende verschuiving in de manier waarop de atomen zichzelf organiseren naarmate ze zich verder van een centraal punt verwijderen.

Op zeer korte afstand, dicht bij een centraal atoom, wordt de structuur strikt beheerst door de regels van chemische binding. In de versie met een lage dichtheid vormen de atomen een compacte, vierzijdige vorm die een tetraëder wordt genoemd, wat de meest stabiele rangschikking is voor silicium onder normale omstandigheden. Maar naarmate het materiaal wordt samengeperst tot een toestand met een zeer hoge dichtheid, breken deze nette vormen af. De atomen worden gedwongen in drukke, chaotische arrangementen met veel meer buren, waarbij ze hun nette lokale geometrie verliezen. Een tijdlang namen wetenschappers aan dat als de lokale structuur al zo rommelig was, de grotere structuur eveneens even ongeordend zou blijven. De nieuwe simulaties onthullen echter dat dit niet het geval is. Wanneer men verder kijkt dan de centrale atoom, voorbij de directe omgeving, komt er plotseling een heel ander soort orde aan het licht.

Ondanks de chaos op lokaal niveau, beginnen de atomen in het materiaal met een hoge dichtheid zich te ordenen in patronen die lijken op de hoeken van een kubus of de vlakken van een octaëder. Dit zijn vormen met een perfecte symmetrie, terwijl ze voorkomen in een materiaal dat helemaal geen perfecte symmetrie bezit. Het is alsover de atomen, die niet in staat zijn een perfect lokaal passend geheel te vormen, collectief instemmen met een nieuwe, efficiëntere manier om samen te pakken over een iets grotere afstand. Deze transitie vindt plaats op een specifieke afstand van het centrum en werkt als een schakelaar die het materiaal verandert van geregeerd door lokale chemische bindingen naar geregeerd door de noodzaak om ruimte efficiënt te vullen. De onderzoekers ontdekten dat deze verschuiving plaatsvindt op een afstand van ongeveer acht tot tien angström in het materiaal met een lage dichtheid, maar dat dit in het samengeperste materiaal veel eerder gebeurt, bij slechts drie tot vijf angström.

Deze ontdekking verbindt verschillende langlopende puzzels in het vakgebied. Een van de bekendste kenmerken van ongeordende materialen is een specifieke piek in de manier waarop ze röntgenstraling verstrooien, bekend als de eerste scherpe diffractiepiek. Jarenlang debatteerden wetenschappers over welke fysieke structuur in het materiaal deze piek veroorzaakte. De nieuwe studie laat zien dat deze piek geen willekeurig artefact is, maar een direct vingerafdruk van de afstand tussen topologische ringen—gesloten lussen van atomen die het skelet van het materiaal vormen. In het silicium met een lage dichtheid zijn deze ringen zo uit elkaar geplaatst dat ze een specifiek ritme creëren, en dit ritme is precies wat de diffractiepiek produceert. Wanneer het materiaal wordt samengeperst, storten de ringen in en herschikken ze zich, waardoor de afstand verandert en de piek verschuift of verdwijnt. Dit bewijst dat het diffractiepatroon dat in experimenten wordt gezien, een directe kaart is van de organisatie van deze atomaire lussen in de echte ruimte.

De onderzoekers ontdekten ook dat de manier waarop deze ringen zijn gerangschikt niet willekeurig is, maar een quasi-periodiek patroon volgt, wat betekent dat ze zich met een regelmatige tussenruimte herhalen die niet helemaal een perfect kristal is, maar wel veel georganiseerder dan een willekeurige stapel knikkers. Deze organisatie is wat het materiaal in staat stelt zijn integriteit te behouden, zelfs wanneer het zo dicht is dat de lokale vormen vervormd zijn. De studie suggereert dat dit fenomeen niet uniek is voor silicium, maar waarschijnlijk een fundamentele regel is voor veel netwerkglazen. Het cruciale inzicht is dat medium-range order niet slechts een restant is van de lokale structuur; het is een nieuwe, emergente eigenschap die ontstaat wanneer het materiaal probeert zichzelf zo compact mogelijk te verpakken. De atomen offeren hun lokale perfectie op om een efficiëntere globale rangschikking te bereiken, waardoor een verborgen orde ontstaat die pas zichtbaar wordt wanneer men een stap terug doet en naar het grotere geheel kijkt.

Door gebruik te maken van deze geavanceerde simulaties, heeft het team een verenigd beeld gegeven van hoe ongeordende materialen zijn opgebouwd. Ze toonden aan dat de vreemde kenmerken die in experimenten worden waargenomen, zoals de specifieke pieken in diffractiepatronen en de ongewone afstand tussen atomen, allemaal verschillende kanten van dezelfde munt zijn. Ze zijn allemaal manifestaties van een materiaal dat probeert een balans te vinden tussen de strikte regels van lokale chemie en de druk om ruimte efficiënt te vullen. Dit begrip beweegt het vakgebied voorbij het idee dat amorfe materialen simpelweg "bevroren vloeistoffen" zijn zonder structuur. In plaats daarvan zijn het complexe systemen met een geavanceerde, meerlagige architectuur waar lokale chaos plaatsmaakt voor een verrassende, emergente symmetrie over een korte afstand. Dit nieuwe perspectief zou wetenschappers kunnen helpen bij het ontwerpen van betere materialen met op maat gemaakte eigenschappen, door precies te weten hoe zij de verborgen orde die tussen de atomen ligt, kunnen manipuleren.