近日，成都理工大学物理学院王宇杰教授团队张真研究员在氧化物玻璃中程结构研究方面取得重要突破。相关成果以 “Symmetry transitions beyond the nanoscale in pressurized silica glass”（压力作用下二氧化硅玻璃跨越纳米尺度的对称性转变）为题，发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

二氧化硅是最典型的网络玻璃形成体，其在高压下的结构响应不仅关系到玻璃材料力学性能的调控，也对理解地球深部硅酸盐熔体的行为具有重要意义。长期以来，学界对二氧化硅玻璃在压缩下的短程结构变化（如四面体扭曲、配位数升高等）已有较为充分的认识，但决定材料力学、热学与动力学特性的中程结构（MRO）在高压条件下如何演化仍缺乏系统理解。本研究团队利用大规模分子动力学模拟，并结合此前提出的四点关联函数方法［Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 14032 (2020)］对三维密度场进行解析。通过分析完整的压缩过程轨迹，团队发现二氧化硅玻璃的中程结构呈现出高度复杂、依赖空间尺度与压力的对称性，如图 1 所示。在低压下，体系在不同尺度上表现出“四面体—八面体”交替对称性：局部由四面体网络刚性主导，而在稍大的尺度上堆积效应开始显现。随着压力升高至约 20 GPa 以上，中程对称性发生跃迁，转变为“八面体—立方体”交替结构。这一转变源于局域结构的多样性增强。随着压力升高，体系中逐渐出现高配位的 [SiO₅] 与 [SiO₆] 单元，削弱了局部键合对网络几何的限制，使中程结构具备更高的灵活性，并得以形成堆积效率更高的立方/八面体构型。同时，研究揭示了无序体系中“堆积效率—结构关联长度”之间的定量对应关系：结构关联长度随压力呈现非单调双峰特征，低压峰来源于环结构重排带来的应力释放，中压峰则源于 [SiO₅] 的增强关联，而在更高压力下 [SiO₆] 的占主导会破坏这种中程关联，使其重新下降。

图1 二氧化硅玻璃在高压下不同长度尺度结构对称形的演变。

此项工作是四点关联结构表征技术继应用于颗粒物质［Phys. Rev. Lett. 127, 278001 (2021)］和胶体液体［Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, e2300923120 (2023)］等典型无序体系之后的又一次成功拓展。研究系统揭示了二氧化硅玻璃在高压下的MRO对称性转变机制，深化了人们对无序体系压力响应及其结构演化规律的基本认识，为设计高性能氧化物玻璃以及认识深地硅酸盐熔体提供了重要的理论参考。

本研究论文的第一完成单位为成都理工大学。论文第一作者兼通讯作者为成都理工大学物理学院张真研究员，成都理工大学兼职教授、法国蒙彼利埃大学 Walter Kob 教授为共同通讯作者，博士研究生谢征乘参与了本项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金和成都理工大学物理学院学科建设经费的支持。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2524058122