The origin of deformation induced topological anisotropy in silica glass

Abstract

Oxide glasses with a network structure are omnipresent in daily life. Often, they are regarded as isotropic materials; however, structural anisotropy can be induced through processing in mechanical fields and leads to unique materials properties. Unfortunately, due to the lack of local, atomic-scale analysis methods, the microscopic mechanisms leading to anisotropy remained elusive. Using novel analysis methods on glasses generated by molecular dynamics simulations, this paper provides a microscopic understanding of topological anisotropy in silica (SiO2) glass under mechanical loads. The anisotropy observed in silica glass originates from a preferred orientation of SiO4 tetrahedra at both short- and medium-range levels that can be controlled via the mode of mechanical loading. The findings elucidate the relation between the deformation protocol and the resulting anisotropic structure of the silica network (involving both persistent and transient effects), and thus provide important insight for the design of oxide glasses with tailored materials properties.

Recommended citation: Ganisetti, Atila, Guénolé, Prakash, Horbach, Wondraczek, Bitzek. "The origin of deformation induced topological anisotropy in silica glass." Acta Materialia. 257().
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates the microscopic origins of anisotropy in silica glass, a material commonly assumed to be uniform. While silica glass is typically considered isotropic, processing it under mechanical stress can induce structural changes that lead to unique properties. However, understanding the atomic-level mechanisms behind this induced anisotropy has been challenging. Using advanced computational simulations and novel analysis techniques, the researchers were able to visualize and quantify how the arrangement of atoms and their bonds changes when silica glass is subjected to tension or compression. They found that the deformation causes the fundamental building blocks of silica (SiO4 tetrahedra) and the rings they form to reorient themselves, leading to a temporary, or 'transient,' anisotropy. This effect is more pronounced and can become permanent, or 'persistent,' after the stress is removed, especially after compression. The key finding is that this persistent anisotropy arises from changes in the atomic bonding structure, not just the shape of the glass. The study reveals that during deformation, some atomic bonds break and new ones form in specific orientations, creating a permanent structural bias. This bias is stronger after compression than tension due to the greater plastic deformation possible under compression. The research also highlights that the way anisotropy is induced depends on the processing temperature, with high-temperature processing leading to different structural changes than room-temperature deformation. These findings are crucial for designing silica-based materials with tailored properties for applications ranging from electronics to structural components, enabling the creation of stronger and more functional glasses.

🇸🇦 العربية
تستكشف هذه الدراسة الأصول المجهرية للتناظر في زجاج السيليكا، وهو مادة يُفترض عادة أنها متجانسة. في حين أن زجاج السيليكا يُعتبر عادةً متناظرًا، فإن معالجته تحت ضغط ميكانيكي يمكن أن تحدث تغييرات هيكلية تؤدي إلى خصائص فريدة. ومع ذلك، كان فهم الآليات على المستوى الذري وراء هذا التناظر المستحث يمثل تحديًا. باستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة وتقنيات تحليل جديدة، تمكن الباحثون من تصور وقياس كيفية تغير ترتيب الذرات وروابطها عندما يتعرض زجاج السيليكا للشد أو الضغط. ووجدوا أن التشوه يتسبب في إعادة توجيه اللبنات الأساسية للسيليكا (رباعيات الأوجه SiO4) والحلقات التي تشكلها، مما يؤدي إلى تناظر مؤقت أو 'عابر'. يصبح هذا التأثير أكثر وضوحًا ويمكن أن يصبح دائمًا أو 'مستمرًا' بعد إزالة الضغط، خاصة بعد الانضغاط. النتيجة الرئيسية هي أن هذا التناظر المستمر ينشأ من تغيرات في بنية الترابط الذري، وليس فقط شكل الزجاج. يكشف البحث أنه أثناء التشوه، تنكسر بعض الروابط الذرية وتتشكل روابط جديدة في اتجاهات محددة، مما يخلق تحيزًا هيكليًا دائمًا. يكون هذا التحيز أقوى بعد الانضغاط منه بعد الشد بسبب التشوه اللدن الأكبر الممكن تحت الانضغاط. كما يسلط البحث الضوء على أن طريقة تحفيز التناظر تعتمد على درجة حرارة المعالجة، حيث تؤدي المعالجة في درجات حرارة عالية إلى تغييرات هيكلية مختلفة عن التشوه في درجة حرارة الغرفة. هذه النتائج حاسمة لتصميم المواد القائمة على السيليكا بخصائص مصممة خصيصًا للتطبيقات التي تتراوح من الإلكترونيات إلى المكونات الهيكلية، مما يتيح إنشاء زجاج أقوى وأكثر وظيفية.

🇫🇷 Français
Cette étude examine les origines microscopiques de l'anisotropie dans le verre de silice, un matériau généralement considéré comme uniforme. Bien que le verre de silice soit typiquement considéré comme isotrope, son traitement sous contrainte mécanique peut induire des changements structurels menant à des propriétés uniques. Cependant, la compréhension des mécanismes au niveau atomique derrière cette anisotropie induite a été difficile. En utilisant des simulations informatiques avancées et de nouvelles techniques d'analyse, les chercheurs ont pu visualiser et quantifier comment l'arrangement des atomes et de leurs liaisons change lorsque le verre de silice est soumis à la tension ou à la compression. Ils ont découvert que la déformation provoque la réorientation des éléments constitutifs fondamentaux de la silice (tétraèdres SiO4) et des anneaux qu'ils forment, entraînant une anisotropie temporaire, ou 'transitoire'. Cet effet est plus prononcé et peut devenir permanent, ou 'persistant', après la suppression de la contrainte, en particulier après compression. La principale conclusion est que cette anisotropie persistante découle de changements dans la structure de liaison atomique, et pas seulement de la forme du verre. La recherche révèle que pendant la déformation, certaines liaisons atomiques se brisent et de nouvelles se forment dans des orientations spécifiques, créant un biais structurel permanent. Ce biais est plus fort après compression qu'après tension en raison de la plus grande déformation plastique possible sous compression. La recherche souligne également que la manière dont l'anisotropie est induite dépend de la température de traitement, le traitement à haute température entraînant des changements structurels différents de la déformation à température ambiante. Ces résultats sont cruciaux pour la conception de matériaux à base de silice avec des propriétés sur mesure pour des applications allant de l'électronique aux composants structurels, permettant la création de verres plus résistants et plus fonctionnels.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht die mikroskopischen Ursachen der Anisotropie in Siliziumdioxidglas (Quarzglas), einem Material, das üblicherweise als einheitlich angesehen wird. Obwohl Quarzglas typischerweise als isotrop gilt, kann die Verarbeitung unter mechanischer Spannung strukturelle Veränderungen hervorrufen, die zu einzigartigen Eigenschaften führen. Das Verständnis der Mechanismen auf atomarer Ebene hinter dieser induzierten Anisotropie war jedoch eine Herausforderung. Mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen und neuartiger Analysetechniken konnten die Forscher visualisieren und quantifizieren, wie sich die Anordnung von Atomen und ihren Bindungen verändert, wenn Quarzglas Zug- oder Druckbelastungen ausgesetzt wird. Sie stellten fest, dass die Verformung dazu führt, dass sich die grundlegenden Bausteine von Siliziumdioxid (SiO4-Tetraeder) und die von ihnen gebildeten Ringe neu ausrichten, was zu einer vorübergehenden oder 'transienten' Anisotropie führt. Dieser Effekt ist ausgeprägter und kann dauerhaft oder 'persistent' werden, nachdem die Spannung entfernt wurde, insbesondere nach Kompression. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass diese persistente Anisotropie aus Veränderungen in der atomaren Bindungsstruktur resultiert und nicht nur aus der Form des Glases. Die Forschung zeigt, dass während der Verformung einige atomare Bindungen brechen und neue in spezifischen Ausrichtungen entstehen, wodurch eine permanente strukturelle Voreingenommenheit entsteht. Diese Voreingenommenheit ist nach Kompression stärker als nach Zug, da unter Kompression eine größere plastische Verformung möglich ist. Die Studie hebt auch hervor, dass die Art und Weise, wie Anisotropie induziert wird, von der Verarbeitungstemperatur abhängt, wobei die Hochtemperaturverarbeitung zu anderen strukturellen Veränderungen führt als die Verformung bei Raumtemperatur. Diese Ergebnisse sind entscheidend für die Entwicklung von Materialien auf Siliziumdioxidbasis mit maßgeschneiderten Eigenschaften für Anwendungen, die von Elektronik bis hin zu Strukturkomponenten reichen, und ermöglichen die Schaffung stärkerer und funktionalerer Gläser.