Зависимая от ориентации взаимная кристаллическая и аморфная упорядоченность в однофазном твердом теле

Когда порядок и беспорядок живут бок о бок

Большинство материалов вокруг нас укладываются в две простые категории: кристаллы, где атомы выстраиваются в повторяющиеся узоры, как плитка на полу, и стекла, где атомы перемешаны, как замерзшая жидкость. В этом исследовании обнаружено нечто неожиданное посередине: твердое тело, которое похоже на стекло по двум направлениям, но по третьему ведет себя как кристалл. Такое необычное сочетание порядка и беспорядка может изменить представления о повседневных материалах — от батарей до микросхем — и о том, как их проектировать на атомном уровне.

Новый вид атомной головоломки

Кристаллы характеризуются дальним порядком: зная положение нескольких атомов, можно предсказать положение многих других. Аморфные материалы, как оконное стекло, лишены этой повторяющейся структуры, хотя атомы по-прежнему сохраняют некоторое регулярное расстояние до ближайших соседей. Десятилетиями учёные обсуждали, как описать «переходную» зону среднего порядка, где узор простирается на несколько атомов, но не на бесконечность. Авторы этой работы смотрят на проблему под другим углом: вместо того чтобы судить, упорядочен ли весь материал в целом, они спрашивают, могут ли разные направления внутри одного и того же твёрдого тела вести себя по-разному.

Слоистые стержни с скрытым узором

Команда создала тонкие пленки из крошечных стержней, содержащих ниобий, вольфрам и кислород (Nb–W–O), с помощью импульсного лазерного осаждения — техники, при которой короткие вспышки энергии направляют на керамическую мишень для наращивания материала на поверхности кристалла. Выбирая известную кристаллическую подложку — титанат стронция — с разной ориентацией среза, они могли контролировать, как растут стержни Nb–W–O. Изображения в электронной микроскопии показали, что внутри каждого стержня атомы в пределах одного слоя располагаются в беспорядочной, стеклоподобной структуре в плоскости. Однако при взгляде по перпендикулярному направлению оказалось, что эти беспорядочные слои укладываются друг на друга с почти идеальными, регулярными интервалами на сотни атомных слоёв: кристалл, построенный из стеклообразных пластин.

Разглядеть случайность вблизи

Чтобы проверить, насколько случайны слои на самом деле, исследователи комбинировали несколько мощных методов. Изображения высокоразрешающей электронной микроскопии и их преобразования Фурье не показали повторяющегося узора в плоскости каждого слоя, что подтверждает отсутствие дальнего порядка. Измерения функции парного распределения, которые отображают типичные расстояния между атомами, выявили резкие пики только на очень малых расстояниях, указывая на то, что атомы по-прежнему образуют базовые строительные блоки — октаэдрические единицы, где металлический атом окружён атомами кислорода — но более крупные повторяющиеся структуры быстро исчезают. Современные методы рентгеновского поглощения подтвердили, что ниобий и вольфрам находятся в искажённых октаэдрах, а химические карты показали, что атомы ниобия и вольфрама смешаны без регулярного узора в плоскости слоя.

Накопленные стеклянные пластины, ведущие себя как кристалл

Хотя каждый слой структурно беспорядочен в своей плоскости, их вертикальная укладка далека от случайной. Трёхмерное картирование обратного пространства с синхротронными рентгенами, метод, превращающий дифракционные картины в своего рода отпечаток атомного порядка, выявило листообразные особенности, соответствующие моделям периодически сложенных аморфных слоёв. В зависимости от ориентации базового титаната стронция стержни растут в одном, двух или трёх предпочтительных направлениях, но во всех случаях расстояние между слоями почти одинаково и тесно связано с периодикой кристаллической подложки. Другими словами, подложка действует как жёсткая линейка, заставляя стеклообразные слои укладываться с кристаллической регулярностью вдоль одной главной оси, хотя в боковом направлении они остаются беспорядочными.

Почему эта пограничная область важна

Этот необычный материал показывает, что привычная граница между кристаллом и стеклом определяется не только тем, насколько далеко простирается порядок, но и тем, в каких направлениях смотреть. В пределах одного твёрдого тела атомы могут образовать непрерывную случайную сеть в двух измерениях и при этом выстраиваться в идеальном ритме в третьем. Это открытие даёт учёным новую платформу для настройки свойств: можно представить материалы, где электрическая проводимость, движение ионов или механическая прочность сильно зависят от направления, потому что порядок и беспорядок сосуществуют контролируемым образом. За пределами конкретного ниобий–вольфрамового оксида эта работа предлагает платформу для изучения и моделирования стопок двумерной аморфной материи, помогая уточнять способы описания, измерения и, в конечном счёте, проектирования твёрдых тел, находящихся на границе между знакомыми мирами кристаллов и стекол.

Цитирование: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

Ключевые слова: аморфные материалы, кристаллический порядок, оксид ниобия и вольфрама, наностержни тонкой пленки, атомная структура