Российские химики выяснили, как литий и калий делят структуру стекла
Ученые выяснили, что литий и калий занимают место в структуре стекла неравномерно — и именно от этого зависит, каким получится материал и какие кристаллы вырастут в нём при остывании. Российские химики сравнили компьютерные расчёты с реальными образцами стекла и получили хорошее совпадение. Это значит, что состав будущего стекла или керамики можно просчитать заранее.
МОСКВА, 4 сентября /Новости науки/. Ученые выяснили, что литий и калий распределяются в стекле неравномерно — и от этого зависит, каким получится материал и какие кристаллы вырастут в нём при остывании. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Inorganic Chemistry.
Речь идёт о двух разных судьбах горячего расплава: если он застывает беспорядочно, получается стекло — этот процесс называют стеклованием, а если атомы успевают выстроиться в упорядоченные структуры, происходит кристаллизация.
Такие материалы применяют в геохимии, фотонике, энергетике и материаловедении: на их основе создают оптические устройства, твердофазные электролиты и другие функциональные материалы. Кроме того, как отмечается в исследовании, понимание того, как формируются стёкла и как они кристаллизуются, важно для изучения природных магматических расплавов — того самого вещества, из которого рождаются горные породы.
«На данный момент не существует единой теории, которая бы полностью описывала преобразования структуры расплава при стекловании и объясняла бы взаимосвязь с фазовым составом при кристаллизации стеклообразующего расплава. Нам было важно проверить, насколько хорошо современные вычислительные методы позволяют предсказывать структуру и фазовый состав подобных систем и насколько результаты расчётов согласуются с экспериментальными данными», — прокомментировала одна из авторов исследования, заведующая лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ РАН доктор химических наук Ольга Королёва.
Для проверки авторы синтезировали образцы стекла разного состава из смеси оксидов лития, калия и кремния — системы Li2O−K2O−SiO2. Строение образцов изучали методами рамановской спектроскопии и рентгенофазового анализа, которые позволяют «увидеть» внутреннее устройство вещества.
Параллельно шли расчёты: структуру стёкол моделировали на программном комплексе «Селектор-С», который ищет самое устойчивое состояние системы по наименьшей свободной энергии, а устойчивые кристаллы предсказывали методом функционала плотности (DFT) — квантово-химическим расчётом поведения электронов в веществе.
Эксперимент и расчёты хорошо совпали. Исследователи установили, что литий и калий распределяются между звеньями силикатной сетки неравномерно, и именно это заметно влияет на строение стекла и на состав кристаллов, которые появляются при охлаждении расплава. В системе выявили пять устойчивых кристаллических соединений: KLiSi2O5, Li2SiO3, K2SiO3, KLi3SiO4 и SiO2. По мнению авторов исследования, такой подход позволяет заранее предсказать состав силикатных систем в широком диапазоне и может пригодиться при разработке новых стеклообразных и керамических материалов.
Речь идёт о двух разных судьбах горячего расплава: если он застывает беспорядочно, получается стекло — этот процесс называют стеклованием, а если атомы успевают выстроиться в упорядоченные структуры, происходит кристаллизация.
Такие материалы применяют в геохимии, фотонике, энергетике и материаловедении: на их основе создают оптические устройства, твердофазные электролиты и другие функциональные материалы. Кроме того, как отмечается в исследовании, понимание того, как формируются стёкла и как они кристаллизуются, важно для изучения природных магматических расплавов — того самого вещества, из которого рождаются горные породы.
«На данный момент не существует единой теории, которая бы полностью описывала преобразования структуры расплава при стекловании и объясняла бы взаимосвязь с фазовым составом при кристаллизации стеклообразующего расплава. Нам было важно проверить, насколько хорошо современные вычислительные методы позволяют предсказывать структуру и фазовый состав подобных систем и насколько результаты расчётов согласуются с экспериментальными данными», — прокомментировала одна из авторов исследования, заведующая лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ РАН доктор химических наук Ольга Королёва.
Для проверки авторы синтезировали образцы стекла разного состава из смеси оксидов лития, калия и кремния — системы Li2O−K2O−SiO2. Строение образцов изучали методами рамановской спектроскопии и рентгенофазового анализа, которые позволяют «увидеть» внутреннее устройство вещества.
Параллельно шли расчёты: структуру стёкол моделировали на программном комплексе «Селектор-С», который ищет самое устойчивое состояние системы по наименьшей свободной энергии, а устойчивые кристаллы предсказывали методом функционала плотности (DFT) — квантово-химическим расчётом поведения электронов в веществе.
Эксперимент и расчёты хорошо совпали. Исследователи установили, что литий и калий распределяются между звеньями силикатной сетки неравномерно, и именно это заметно влияет на строение стекла и на состав кристаллов, которые появляются при охлаждении расплава. В системе выявили пять устойчивых кристаллических соединений: KLiSi2O5, Li2SiO3, K2SiO3, KLi3SiO4 и SiO2. По мнению авторов исследования, такой подход позволяет заранее предсказать состав силикатных систем в широком диапазоне и может пригодиться при разработке новых стеклообразных и керамических материалов.
