Teorik bilim adamları, nano ölçekli yapılar ile malzemenin tekrarlanan kristal düzeni olmayan camsı bir formu olan amorf silikondaki termal iletkenlik arasındaki gizli ilişkiyi tanımlamak için topolojik matematik ve makine öğrenimini kullandılar.

Tekniklerini açıklayan bir çalışma ortaya çıktı. Kimyasal Fizik Dergisi.

Cam, obsidiyen, balmumu ve plastik gibi amorf katıların uzun menzilli tekrarı yoktur veya Kristal yapı, oluştukları atomlara veya moleküllere. Bu, tuz, çoğu metal ve kaya gibi kristal katılarla çelişir. Onlar eksik olduğundan uzun menzilli düzen bunların yapısında, ısı iletkenliği Amorf katıların oranı, aynı malzemeden oluşan kristal katılarınkinden çok daha düşük olabilir.

Ancak yine de nanometre ölçeğinde orta düzeyde bir düzen söz konusu olabilir. Bu orta aralıktaki düzen, ısı taşıyan atomik titreşimlerin yayılımını ve difüzyonunu etkilemelidir. Düzensiz malzemelerde ısı taşınımı, endüstriyel uygulamalardaki önemi nedeniyle fizikçilerin özel ilgisini çekmektedir. Silikonun amorf formu, modern dünyada güneş pillerinden görüntü sensörlerine kadar çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu nedenle araştırmacılar orta menzilli düzenin yapısal imzasını yoğun bir şekilde araştırmışlardır. amorf silikon ve bunun termal iletkenlikle nasıl ilişkili olduğu.

Çalışmanın ilgili yazarı ve Okazaki'deki Moleküler Bilim Enstitüsü'nde teorik moleküler bilim adamı olan Emi Minamitani, "Amorf silikon kullanan uygulamalar üzerinde daha iyi kontrol sağlamak için, termal özelliklerinin kontrol edilmesi mühendislerin istek listesinde üst sıralarda yer almaktadır" dedi. Japonya. "Orta ölçekli düzen de dahil olmak üzere amorf olarak nano ölçekli yapısal özelliklerin çıkarılması önemli bir anahtardır."

Ne yazık ki araştırmacılar bu görevi gerçekleştirmekte zorlandılar çünkü geleneksel teknikleri kullanarak düzensiz sistemlerin temel nano ölçekli özelliklerini belirlemek zor.

Deneylerde, orta aralıktaki düzenin varlığı, düzensiz bir malzemenin nano ölçekli hacimlerinden saçılmanın istatistiksel analizini içeren dalgalanma elektron mikroskobu kullanılarak fiziksel olarak tespit edilmiştir. Teorik düzeyde, dihedral açıların (atom grupları arasında kesişen iki düzlem arasındaki açı) dağılımı dikkate alınarak veya "halka istatistikleri" kullanılarak tartışılmıştır. İkincisi, atomların bağlantısından yapısal özellikleri anlamaya çalışır.

Bu da topoloji olarak bilinen ve nesne sürekli olarak gerildiğinde ve kırılmadan deforme olduğunda (lastik üzerine yazılmış şekiller gibi) bir nesnenin değişmeyen veya "değişmeyen" özelliklerini araştıran matematik alanından yararlanır. çarşaf). Bu topolojik değişmezliğe odaklanmak, fiziksel özelliklerin rastgeleliğe göre eğilimi gibi niteliksel bir açıklama sağlamak için faydalıdır. Bununla birlikte, orta aralıktaki bir düzene karşılık gelen atomik yapının belirlenmesi ve fiziksel özelliklerinin yalnızca basit topolojik değişmezlerden tahmin edilmesi zordur.

Bu nedenle araştırmacılar, bir tür topolojik veri analizi olan kalıcı homoloji adı verilen yeni ortaya çıkan bir tekniğe yöneldiler. Kalıcı homoloji, proteinlerden amorf katılara kadar uzanan karmaşık yapıları analiz etmek için başka yerlerde kullanılmıştır. Bu yöntemin faydası, farklı mekansal ölçeklerdeki karmaşık yapılardaki topolojik özelliklerin tespit edilmesidir. Bu hayati önem taşıyor çünkü orta düzey düzen, çeşitli ölçeklerde yarı tekrarlanan yapıları içeriyor. Bu özelliği kullanarak, normalde rastgelelik olarak görünen şeyin altında gizlenen orta aralıktaki düzeni ortaya çıkarabiliriz.

Araştırmacılar, klasik moleküler dinamiğe göre amorf silikonun hesaplamalı modellerini oluşturdular; burada silikonun sıcaklığı erime noktasının üzerine çıkarıldı ve ardından yavaş yavaş oda sıcaklığına kadar soğutuldu (söndürüldü). Soğuma hızının değiştirilmesiyle yapısal özelliklerde farklılıklar ortaya çıktı.

Daha sonra her model için kalıcı homolojinin iki boyutlu görselleştirilmesi olan kalıcı diyagram hesaplandı. Araştırmacılar, diyagramların amorf silikonun yapısal özelliklerini yansıttığı üzerinde yoğunlaştı. Böylece makine öğreniminde kullanılabilecek “tanımlayıcılar” adı verilen sayısal gösterimi oluşturdular. Araştırmacı, kalıcı diyagramın, makine öğrenimi prosedüründe kullanılmak üzere iyi bir tanımlayıcının oluşturulmasını sağladığını ve bunun da termal iletkenlikler hakkında doğru tahminlere ulaştığını buldu.

Kalıcı homoloji verilerini daha fazla analiz ederek ve makine öğrenme Modelde araştırmacılar, amorf silikondaki orta aralık düzeni ile termal iletkenliği arasındaki önceden gizli olan ilişkiyi gösterdiler.

Çalışma artık amorf malzemelerin malzeme özelliklerini kontrol etmek için bir yol açmalıdır. silikon ve diğer amorf katılar nanoyapılarının topolojisi aracılığıyla.