钠硼硅酸盐玻璃形成体的第一性原理研究 I：液态

我们利用从头算模拟研究了成分为 3Na$_2$O-B$_2$O$_3$-6SiO$_2$ 的钠硼硅酸盐液体的静态和动态性质，该系统是许多玻璃形成材料的基础。特别是，我们关注硼如何嵌入硅酸盐网络液体的局部结构中。从偏结构因子我们得出结论，硅和硼之间存在微弱的纳米尺度相分离，且钠原子形成了通道状结构，这与先前对钠硅酸盐玻璃形成体的研究中发现的结构一致。我们的 X 射线和中子结构因子结果表明，这一特征在前者中基本不可察觉，但在后者中应表现为小波矢处的一个小峰。在高温下，我们发现三配位硼原子浓度很高，该浓度随温度 $T$ 降低而迅速下降，而四配位硼原子数量则增加。因此我们得出结论，在实验玻璃化转变温度下，大多数硼原子将呈四配位。我们表明，随 $T$ 降低发生的 [3]B 向 [4]B 的转变，不仅如先前研究声称的那样与非桥氧原子的减少有关，还与硅酸盐基质的重构有关。各种元素的扩散常数表现出 Arrhenius 行为，我们发现硼的扩散常数值与氧相同，且显著大于硅。这表明这两种网络形成体具有截然不同的动态性质，这一结果也得到了 van Hove 函数时间依赖性的证实。最后，我们表明钠原子的相干中间散射函数与非相干中间散射函数非常不同，且其追踪基质原子的行为。