Revealing the void-size distribution of silica glass using persistent homology

The void structure of silica glass is extracted using persistent homology.

Abstract

Oxide glasses have proven to be useful across a wide range of technological applications. Nevertheless, their medium-range structure has remained elusive. Previous studies focused on ring statistics as a metric of the medium-range structure, but this metric provides an incomplete picture of the glassy structure. Here, we use atomistic simulations and state-of-the-art topological analysis tools, namely persistent homology (PH), to analyze the medium-range structure of the archetypal oxide glass (Silica) at ambient temperatures and with varying pressures. PH presents an unbiased definition of loops and voids, providing an advantage over other methods for studying the structure and topology of complex materials, such as glasses, across multiple length scales. We captured subtle topological transitions in medium-range order and cavity distributions, providing new insights into glass structure. Our work provides a robust way for extracting the void distribution of oxide glasses based on PH.

Recommended citation: A. Atila, Y. Bakhouch, Z. Xie. "Revealing the void-size distribution of silica glass using persistent homology." Materialia. 44(102613).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This research addresses the challenge of understanding the internal structure of silica glass, particularly the distribution and size of microscopic voids. Traditional methods for analyzing these voids are often incomplete or lack standardization. The scientists used a sophisticated mathematical technique called persistent homology (PH), combined with atomistic simulations, to precisely map the network of atoms and identify voids. By applying pressure to the silica glass and observing how its structure changed, they were able to test and validate their PH-based method. The key findings reveal that as pressure increases, the number and size of voids in silica glass significantly decrease, leading to a more compact structure. This method provides a more robust and detailed understanding of glass topology, offering insights into how structural changes influence material properties. The impact of this work lies in its potential to guide the design of new glass materials with tailored properties for various applications, from advanced filters to insulation materials, by providing a powerful new tool for characterizing their internal void structures.

🇸🇦 العربية
يتناول هذا البحث تحدي فهم البنية الداخلية للزجاج السيليسي، وخاصة توزيع وحجم الفجوات المجهرية. غالبًا ما تكون الطرق التقليدية لتحليل هذه الفجوات غير مكتملة أو تفتقر إلى التوحيد القياسي. استخدم العلماء تقنية رياضية متطورة تسمى الهومولوجيا المستمرة (PH)، جنبًا إلى جنب مع محاكاة الذرات، لرسم خريطة دقيقة لشبكة الذرات وتحديد الفجوات. من خلال تطبيق الضغط على الزجاج السيليسي ومراقبة كيفية تغير بنيته، تمكنوا من اختبار والتحقق من صحة طريقتهم القائمة على الهومولوجيا المستمرة. تكشف النتائج الرئيسية أنه مع زيادة الضغط، ينخفض عدد وحجم الفجوات في الزجاج السيليسي بشكل كبير، مما يؤدي إلى بنية أكثر إحكامًا. توفر هذه الطريقة فهمًا أكثر قوة وتفصيلاً لطوبولوجيا الزجاج، وتقدم رؤى حول كيفية تأثير التغيرات الهيكلية على خصائص المواد. يكمن تأثير هذا العمل في إمكاناته لتوجيه تصميم مواد زجاجية جديدة ذات خصائص مصممة خصيصًا لتطبيقات مختلفة، من المرشحات المتقدمة إلى مواد العزل، من خلال توفير أداة جديدة قوية لتوصيف هياكل الفجوات الداخلية الخاصة بها.

🇫🇷 Français
Cette recherche aborde le défi de comprendre la structure interne du verre de silice, en particulier la distribution et la taille des vides microscopiques. Les méthodes traditionnelles d'analyse de ces vides sont souvent incomplètes ou manquent de standardisation. Les scientifiques ont utilisé une technique mathématique sophistiquée appelée homologie persistante (PH), combinée à des simulations atomistiques, pour cartographier précisément le réseau d'atomes et identifier les vides. En appliquant une pression au verre de silice et en observant comment sa structure changeait, ils ont pu tester et valider leur méthode basée sur la PH. Les principales conclusions révèlent qu'à mesure que la pression augmente, le nombre et la taille des vides dans le verre de silice diminuent considérablement, conduisant à une structure plus compacte. Cette méthode offre une compréhension plus robuste et détaillée de la topologie du verre, fournissant des informations sur la manière dont les changements structurels influencent les propriétés des matériaux. L'impact de ce travail réside dans son potentiel à guider la conception de nouveaux matériaux de verre aux propriétés sur mesure pour diverses applications, des filtres avancés aux matériaux d'isolation, en fournissant un nouvel outil puissant pour caractériser leurs structures de vides internes.

🇩🇪 Deutsch
Diese Forschung befasst sich mit der Herausforderung, die interne Struktur von Siliziumdioxidglas zu verstehen, insbesondere die Verteilung und Größe mikroskopischer Hohlräume. Traditionelle Methoden zur Analyse dieser Hohlräume sind oft unvollständig oder mangelhaft standardisiert. Die Wissenschaftler nutzten eine ausgeklügelte mathematische Technik namens persistente Homologie (PH) in Kombination mit atomistischen Simulationen, um das Atomnetzwerk präzise abzubilden und Hohlräume zu identifizieren. Durch Anwendung von Druck auf das Siliziumdioxidglas und Beobachtung seiner Strukturveränderungen konnten sie ihre PH-basierte Methode testen und validieren. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Druck die Anzahl und Größe der Hohlräume in Siliziumdioxidglas erheblich abnehmen, was zu einer kompakteren Struktur führt. Diese Methode bietet ein robusteres und detaillierteres Verständnis der Glas-Topologie und liefert Einblicke, wie strukturelle Veränderungen die Materialeigenschaften beeinflussen. Die Auswirkung dieser Arbeit liegt in ihrem Potenzial, die Entwicklung neuer Glasmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für verschiedene Anwendungen, von fortschrittlichen Filtern bis hin zu Isoliermaterialien, zu leiten, indem sie ein leistungsfähiges neues Werkzeug zur Charakterisierung ihrer inneren Hohlraumstrukturen bereitstellt.