Topology of anisotropic glasses from persistent homology analysis

Abstract

Glasses are typically isotropic, but permanent or transient anisotropy can be induced by tensile strain. We use persistent homology (PH) analysis to explore the topological effects of such anisotropy in SiO2single bondNa2O glass ensembles with variable alkali concentration as a function of frozen-in anisotropic strain. Statistical information was extracted on ring (H1) and cavity (H2) features, whereby anisotropic stretching was found to induce strong variations in the ring topology of the –O-Si-O- backbone, but only minor changes in the overall cavity statistics or in the Na distribution (the Na distribution was found to be governed by H2 persistence). Tensile fracture led to total recovery of network topology relative to the pristine (isotropic) glass. In revealing such reactions, PH and persistence similarity analysis may help to differentiate purely entropic orientation and irreversible structural alterations leading to glass anisotropy.

Recommended citation: Pan, Atila, Bitzek, Wondraczek. "Topology of Anisotropic Glasses from Persistent Homology Analysis." Journal of Non-Crystalline Solids. 627(122801).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates how applying stress to glasses, which are normally disordered and isotropic, changes their internal structure and topology. Specifically, the researchers used a mathematical technique called persistent homology to analyze computer simulations of sodium silicate glasses under tension. They found that stretching the glass significantly alters the arrangement of atoms and the formation of rings within the glass structure, particularly in the silicon-oxygen backbone. However, the spaces or cavities within the glass and the distribution of sodium atoms were less affected, suggesting that the glass deforms by shearing rather than by creating new voids. The key finding is that while stretching changes the glass's internal 'skeleton,' the overall shape and size of the empty spaces remain largely the same. Importantly, when the glass was stretched to the point of fracture, its original disordered, isotropic structure was completely restored. This research provides a new way to understand how glasses respond to stress, which could be useful in developing new materials with specific properties for applications like advanced ceramics or optical components, and for understanding material failure.

🇸🇦 العربية
تستكشف هذه الدراسة كيف أن تطبيق الضغط على الزجاج، الذي يكون عادةً غير منتظم ومتساوي الخواص، يغير بنيته الداخلية وطوبولوجيته. على وجه التحديد، استخدم الباحثون تقنية رياضية تسمى المثابرة الهومولوجية لتحليل عمليات المحاكاة الحاسوبية لزجاج سيليكات الصوديوم تحت الشد. ووجدوا أن شد الزجاج يغير بشكل كبير ترتيب الذرات وتكوين الحلقات داخل بنية الزجاج، خاصة في العمود الفقري للسيليكون والأكسجين. ومع ذلك، تأثرت المساحات أو التجاويف داخل الزجاج وتوزيع ذرات الصوديوم بشكل أقل، مما يشير إلى أن الزجاج يتشوه عن طريق القص بدلاً من إنشاء فراغات جديدة. النتيجة الرئيسية هي أنه بينما يغير الشد 'الهيكل العظمي' الداخلي للزجاج، فإن الشكل العام والأبعاد للفراغات تظل كما هي إلى حد كبير. والأهم من ذلك، عندما تم شد الزجاج إلى نقطة الكسر، تمت استعادة بنيته الأصلية غير المنتظمة والمتساوية الخواص بالكامل. يوفر هذا البحث طريقة جديدة لفهم كيفية استجابة الزجاج للضغط، والتي يمكن أن تكون مفيدة في تطوير مواد جديدة ذات خصائص محددة لتطبيقات مثل السيراميك المتقدم أو المكونات البصرية، ول فهم فشل المواد.

🇫🇷 Français
Cette étude examine comment l'application de contraintes sur les verres, qui sont normalement désordonnés et isotropes, modifie leur structure interne et leur topologie. Plus précisément, les chercheurs ont utilisé une technique mathématique appelée homologie persistante pour analyser des simulations informatiques de verres de silicate de sodium sous tension. Ils ont découvert que l'étirement du verre modifie considérablement l'agencement des atomes et la formation d'anneaux au sein de la structure du verre, en particulier dans le squelette silicium-oxygène. Cependant, les espaces ou cavités à l'intérieur du verre et la distribution des atomes de sodium ont été moins affectés, suggérant que le verre se déforme par cisaillement plutôt que par la création de nouveaux vides. La principale conclusion est que si l'étirement modifie le 'squelette' interne du verre, la forme et la taille globales des espaces vides restent largement inchangées. De manière importante, lorsque le verre a été étiré jusqu'au point de rupture, sa structure désordonnée et isotrope d'origine a été complètement restaurée. Cette recherche fournit une nouvelle façon de comprendre comment les verres réagissent aux contraintes, ce qui pourrait être utile dans le développement de nouveaux matériaux aux propriétés spécifiques pour des applications telles que les céramiques avancées ou les composants optiques, et pour la compréhension de la défaillance des matériaux.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht, wie die Anwendung von Spannung auf Gläser, die normalerweise ungeordnet und isotrop sind, ihre innere Struktur und Topologie verändert. Insbesondere nutzten die Forscher eine mathematische Technik namens persistente Homologie, um Computersimulationen von Natriumsilikatgläsern unter Zug zu analysieren. Sie stellten fest, dass das Dehnen des Glases die Anordnung der Atome und die Bildung von Ringen innerhalb der Glasstruktur, insbesondere im Silizium-Sauerstoff-Rückgrat, erheblich verändert. Die Räume oder Hohlräume im Glas und die Verteilung der Natriumatome waren jedoch weniger betroffen, was darauf hindeutet, dass sich das Glas eher durch Scherung als durch die Schaffung neuer Hohlräume verformt. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass das Dehnen zwar das innere 'Skelett' des Glases verändert, die Gesamtform und -größe der Hohlräume jedoch weitgehend gleich bleiben. Wichtig ist, dass nach dem Dehnen des Glases bis zum Bruch seine ursprüngliche ungeordnete, isotrope Struktur vollständig wiederhergestellt wurde. Diese Forschung bietet eine neue Möglichkeit, das Verhalten von Gläsern unter Spannung zu verstehen, was bei der Entwicklung neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften für Anwendungen wie fortschrittliche Keramiken oder optische Komponenten sowie für das Verständnis von Materialversagen nützlich sein könnte.