利用分子动力学模拟与机器学习预测非晶二氧化硅的断裂倾向

非晶二氧化硅（$a-SiO_2$）是一种广泛使用的无机材料。有趣的是，关于$a-SiO_2$的局域原子结构及其对延展性与断裂影响的关系却鲜有探究。在此，我们结合大规模分子动力学模拟与机器学习方法，研究$a-SiO_2$的分子变形与断裂机制。通过高压淬火，我们证明致密化$a-SiO_2$可提高其延展性与韧性。借助理论分析与模拟结果，我们发现局域成键拓扑的变化极大地促进了塑性变形过程中的能量耗散，尤其在配位数降低时更为显著。随后可基于原子的空间分布准确判定断裂的发生位置。我们进一步观察到，静态无应变结构编码了施加应变过程中局域原子配位发生变化的倾向，因此可在加载前的初始原子构型与断裂时远离平衡的终态原子构型之间建立明确联系。这些结果对于理解原子排布如何强烈影响非晶固体的力学性质与结构特征至关重要，并将有助于功能材料的原子尺度设计。