低密度二氧化硅玻璃中氦溶解位点的几何特征及其超扩散机制研究

本研究针对氦在低密度二氧化硅玻璃中的超扩散现象，通过Minkowski函数量化分析溶解位点的几何特征，发现膨胀因子E≈9%时形成大尺寸分支状溶解位点通道，其高平均宽度(m2 )与低相对体积(m0 )、表面积(m1 )的特性是氦超扩散的关键结构基础，为氖分离膜材料设计提供理论依据。

　　

在工业气体分离领域，氦气(He)与氖气(Ne)的分离一直是技术难点。传统方法依赖低温精馏，能耗极高。而低密度二氧化硅玻璃中发现的氦超扩散现象（扩散系数突增10³
倍）为膜分离技术带来曙光，但其微观机制尚不明确。问题的核心在于：当玻璃膨胀因子E超过9%时，氦扩散为何会从正常模式跃迁至超扩散模式？而氖却始终保持亚扩散状态？这种选择性扩散的微观结构基础是什么？

中国科学院西伯利亚分院化学与化学技术研究所的Sergey V. Kukhtetskiy团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表的研究，首次从几何拓扑学角度揭示了这一现象的本质。研究人员采用积分几何中的Minkowski函数（包括体积m₀
、表面积m₁
、平均曲率积分m₂
和欧拉特征数m₃
），对84组低密度二氧化硅玻璃模型中氦溶解位点的形态演变进行系统分析。

关键技术方法
研究基于前期建立的二氧化硅玻璃模型（含1000个Si和2000个O原子，周期性边界条件），通过控制膨胀因子E（0-16%）生成不同密度样本。采用Voronoi分割法识别溶解位点，计算其Minkowski函数并归一化为相对值（除以包围盒参数）。扩散特性数据引自团队前期工作，实验值参考氦溶解位点密度文献。

研究结果

Models of low-density silica glasses
样本通过分子动力学模拟生成，膨胀过程模拟氦解吸导致的体积膨胀。溶解位点定义为Voronoi多面体顶点周围半径1.2?的球形区域，其尺寸分布与实验测量值吻合。

Results
当E>9%时出现两类溶解位点：传统紧凑型（高m₀
/m₁
）和新型分支通道型。后者具有显著特征：m₂
/m₀
比值达前者的20倍，表明其拓扑结构呈现"细长分支"形态。这些通道跨越玻璃模型的1/5体积，但仅占总溶解位点数量的3%，却贡献了超扩散路径的87%。

Discussion and conclusions
研究证实Minkowski函数能有效表征溶解位点形态演变：m₂
（正比于平均宽度）的突增是超扩散的几何标志。当E≈9%时，玻璃网络重构形成贯穿性通道，其低m₀
/m₁
反映"中空管道"特性，而高m₂
显示拓扑复杂性。这种结构使氦原子获得长程迁移路径，而较大氖原子仍受限于局域化位点。

该研究不仅阐明氦超扩散的几何机制，更提出"相对Minkowski函数"作为多孔材料形态学通用描述符。通过建立m₂
/m₀
阈值与超扩散的定量关系，为设计高选择性气体分离膜提供全新理论框架。未来可拓展至其他轻气体分离体系，或用于调控生物医用材料的渗透性。