JPCM编辑优选：SiO₂玻璃在高压下的四面体-六面体-八面体转变机理
文章介绍
- 洪新国，北京高压科学研究中心
研究背景：
二氧化硅（SiO₂）玻璃作为地壳与上地幔的关键成分，其高压结构相变与致密化行为是地球深部动力学、凝聚态物理及材料高压科学的核心研究课题。高压下SiO₂玻璃的四面体—八面体结构相变，直接调控地球深部物质密度梯度、对流运动与沉降过程，是解析地幔地球物理观测数据、揭示深部物质演化规律的重要理论基础。
但是 SiO₂玻璃因硅K边吸收能量低，高压XAFS测量难以进行，导致其相变机制长期存在两大核心分歧：其一，SiO₂玻璃高压相变是传统认知的连续渐变过程，还是存在突变特征的非连续相变；其二，高压相变区间内是否存在大量稳定的五配位SiO₅中间结构。同时，传统模拟多采用小尺寸体系，存在结构统计性差、精度不足的问题，无法揭示高压下多面体演化规律。急需进行高精度AIMD方法，解析相变机制和机理，解决长期以来的学术争议，完善硅酸盐玻璃高压相变理论体系。
研究内容：
针对高压下SiO₂玻璃非晶结构相变现象，依托高精度从头算分子动力学模拟技术，结合大尺寸模拟体系与机器学习加速算法，系统开展不同压缩程度下的微观结构演化研究，研究内容如下：
1. 构建3×3×3（243原子）与4×4×4（576原子）两种大尺度高精度AIMD模拟体系。
2. 研究模拟体系在不同体积压缩比下Si-O配位多面体结构演变规律，以及其空间连接模式与相变机理研究。
研究成果：
1. 明确了SiO₂玻璃高压相变的临界条件与完整相变路径，如图1所示：
图1 SiO₂玻璃中压力诱导的四面体-六面体-八面体结构转变示意图。
2. 揭示了SiO₂玻璃双重差异化相变动力学特征，如图2所示：
图2. 在SiO₂玻璃的3×3×3超胞AIMD模型中，不同压缩比下SiO₄（CN4）、SiO₅（CN5）、SiO₆（CN6）和SiO₇（CN7）单元的多面体含量变化。四面体向六面体的转变为类一级突变相变，结构瞬时坍塌重构；而六面体向八面体的转变为宽区间连续渐变过程，完善了二氧化硅玻璃高压相变的动力学理论体系。
3. 阐明了五配位中间态的结构特征与核心调控作用。揭示了多面体空间拓扑结构的演变规律。
4. 证实了SiO₂与GeO₂玻璃高压相变的同源机制，完善氧化物玻璃极端条件结构演化的通用理论。
研究创新点：
1. 理论创新：首次发现并证实SiO₂玻璃高压相变存在稳定五配位中间相
2. 机制创新：揭示了SiO₂玻璃“突变+渐变”双重相变动力学机制
3. 体系创新：统一了SiO₂与GeO₂玻璃的高压相变同源理论
4. 微观创新：从拓扑结构层面揭示玻璃致密化本质
5. 方法创新：构建了高精度大体系机器学习辅助AIMD模拟方法
重要性：
这项成果用一个清晰的三步转变模型，终结”连续 vs 突变”之争，统一了该领域对立几十年的两种相变图像，确立了五配位中间体的主导地位，把沿用多年的”四面体 八面体”两步模型，修正为 四面体 六面体 八面体的三步模型，这是概念层面的实质更新。
作者介绍
洪新国 研究员
北京高压科学研究中心
- 洪新国，博士，现为北京高压科学研究中心研究员。主要从事高压凝聚态物理、高压材料科学、X 射线科学技术与高压地球科学研究。是同步辐射与材料局域结构领域知名专家，在基于局域结构的密度泛函理论计算、高能X射线微聚焦、高压 PDF、高压 XAFS、非晶态材料物态方程等多项高压同步辐射前沿技术方向做出开创性工作，获 2025 年度IAAM科学家奖章。
期刊介绍
- 2025年影响因子：2.9 Citescore: 4.8
- Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)为读者提供凝聚态物理、软物质、纳米科学和生物物理各领域的最新研究成果。JPCM发表实验/理论分析和模拟研究，读者可以获取涉及下列领域的专题综述、快报和特刊：表面、界面和原子尺度的科学，液体、软物质和生物物理，纳米材料和纳米电子，固体结构的晶格动力，电子结构，超导体和金属、半导体，电介质和铁电，以及磁学与磁性材料。