Анализ структурных единиц и их стабильности в расплаве Na2О–B2O3 методом первопринципной молекулярной динамики


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Целью настоящей работы являлась разработка расчетно-теоретической методики детального изучения геометрии и статистических характеристик локальных структурных комплексов сложных жидкостей типа щелочноборатных систем, имеющих тенденцию к образованию объемной борокислородной сетки. Методика отрабатывалась на примере расплава 30Na2O–70B2O3 при Т = 1273 К. Использовалась первопринципная молекулярная динамика, реализованная в программном коде VASP для суперячейки из 250 атомов. Полученные на каждом шаге координаты ионов использованы для получения статистически значимой информации о детальной структуре расплава. По разработанной для этой цели оригинальной программе были определены парциальные функции радиального распределения атомов и проанализированы все найденные в модели ближайшие координации вокруг каждого сорта ионов, определены типы и количество устойчивых группировок, длины связей и углы в них. Кроме того, рассчитан критерий тетраэдричности для единиц ВО4 и ВB4. Базовыми структурными единицами оказались почти правильные треугольники (в них входит ~80% атомов бора) и тетраэдры (~19% атомов бора) с ионом бора в центре и ионами кислорода в вершинах. Эти простые структуры образуют борокислородную сетку связанную общими (мостиковыми) атомами кислорода, причем она включает практически все атомы бора. Обнаружены надструктурные единицы, а именно комбинации из трех и более базовых структур. Например, два треугольника и один тетраэдр, образуют кольца из шести чередующихся атомов бора и кислорода. Кроме того, обнаружено существование колец, которые сформированы из четырех базовых структурных единиц, но они, в отличие от шестиатомных колец, не являются планарными образованиями. Предложенная методика позволяет получать практически любые данные о структурных особенностях систем такого типа, в частности, ответить на важный вопрос о количестве мостиковых и немостиковых атомов кислорода. Оказалось, что мостиковых кислородов в изученной системе примерно 86%. Использованный подход корректно учитывает ковалентную и ионную связи в жидких системах на основе оксидов-сеткообразователей и оксидов-модификаторов, что позволит изучить изменение локальных структурных характеристик в зависимости от концентрации и температуры и объяснить поведение различных физико-химических свойств.

Об авторах

А. А. Юрьев

Институт металлургии Уральского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: yurev_anatolii@mail.ru
Россия, Екатеринбург

М. М. Цымбалист

Институт металлургии Уральского отделения РАН

Email: yurev_anatolii@mail.ru
Россия, Екатеринбург

М. А. Самойлова

Институт металлургии Уральского отделения РАН

Email: yurev_anatolii@mail.ru
Россия, Екатеринбург

А. А. Хохряков

Институт металлургии Уральского отделения РАН

Email: yurev_anatolii@mail.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Krogh-Moe J. // Phys. Chem. Glasses 1969. 6. 2. P. 46–54. https://doi.org/10.1016/0022-3093(69)90025-8
  2. Yano T., Kunimine N., Shibata S., Yamane M. // J. Non-Crystalline Solids. 2003. 321. P. 147–156. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(03)00159-5
  3. Osipov A.A., Osipova L.M. // GlassPhys. Chem. 2009. 35. P. 121–131. https://doi.org/10.1134/S1087659609020011
  4. Handa K., Kita Y., Kohara S. // J. Physics and Chemistry of Solids. 1999. 60. P. 1465–1471. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(99)00143-2
  5. Fábián M., Sváb E., Proffen T., Veress E. // J. Non-Crystalline Solids 2010. 356. P. 441–446. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.12.013
  6. Guillaume F., Charpentier T., Seitsonen A.P., Takada A., Lazzeri M., Cormier L., Calas G., Mauri F. // Phys. Rev. Lett. 2008. 101. 065504. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.065504
  7. Бубнова Р.С., Филатов С.К. Высокотемпературная кристаллохимия боратов и боросиликатов. Санкт-Петербург: Наука, 2008.
  8. Kaiura G.H., Toguri J.M. The viscosity and structure of sodium borate melts // Physics and chemistry of glasses // Phys and Chem Glasses. 1976. 17. № 3. P. 62–69.
  9. Shartsis L., Capps W., and Spinner S. Viscosity and electrical resistivity of molten alkali borates // J. Am. Cer. Soc. 1953. 36. № 2. P. 35–43.
  10. Claes P., Coq J.L., Glibert J. // Electrochimica Acta. 1988. 33. P. 347–352. https://doi.org/10.1016/0013-4686(88)85027-8
  11. Melchakov S.Y., Khokhryakov A.A., Samoilova M.A., Ryabov V.V., Yagodin D.A. // Glass. Phys. Chem. 2022. 48. № 3. P. 174–179. https://doi.org/10.1134/S1087659622030063
  12. Khokhryakov A.A., Melchakov S.Y., Samoilova M. A., Ryabov V. V. // Inorganic materials. 2022. 58. № 5. P. 538–543. https://doi.org/10.1134/S0020168522050053
  13. Cristos-Platon E., Varsamis // Phys. Rev B. 2002. 65. P. 104203-104217. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.104203
  14. Ohkubo T., Takahiro O., Tsuchida E., Gobet M., Sarou-Kanian V., Bessada C., Yasuhiko I. // J. Phys. Chem. B. 2013. 117. P. 5668–5674. https://doi.org/10.1021/jp312486m
  15. Yuryev A.A., Samoylova M.A. // J. Structural Chemistry. 2020. 61. 5. P. 681–687. https://doi.org/10.1134/S0022476620050029
  16. Xu Q., Kawamura K., Yokokawa T. // J. Non-Cryst. Solids. 1988. 104. P. 261–272. https://doi.org/10.1016/0022-3093(88)90397-3
  17. Kita Y., Misawa M. Umesaki N., Kirihara T., Fukunaga T., Iida T. ISIJ International. 1993. 33. № 1. P. 188–194. https://doi.org/10.2355/isijinternational.33.188
  18. Umesaki N., Kita Y., Kirihara T., Iida T., Fukunaga T., Misawa M. // J. Non-Crystalline Solids.1994. 177. P. 200–207. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90531-2
  19. Pooja S., Pente A.A., Mandar D.S., Chowdhri I.A., Sharma K., Goswami M. Kalsanka T.S., Sadhana M. // J. Phys. Chem. B. 2019. 123. P. 6290–6302. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.9b03026
  20. Kresse G., Furthmuller J. // Phys. Rev. B. American Physical Society. 1996. 54. P. 11 169–11 186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169
  21. Цымбалист М.М., Юрьев А.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020618833 программа для ЭВМ “StatXYZ”.
  22. Errington J.R., Debenedetti P.G. // Nature. 2001. 409. P. 318–321. https://doi.org/10.1038/35053024
  23. Kumar P., Buldyrev S.V., Stanley H. E. PNAS. 2009. 106. № 52. P. 22130–22134. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0911094106
  24. Alderman O.L.G. // J. Phys. Chem. C. 2015. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b10277
  25. Majérus O., Cormier L., Calas G., Beuneu B. // Phys. Rev. B. 2003. 67. P. 024210–024217. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.024210
  26. Kamitsos E.I., Chyssikos G.D. Solid State Ionics 1998. 105. P. 75–85. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00451-7

Дополнительные файлы


© А.А. Юрьев, М.М. Цымбалист, М.А. Самойлова, А.А. Хохряков, 2023