Подтверждено единство структурной модели процессов стеклования и кристаллизации

Сотрудники лаборатории кристаллохимии Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук совместно с коллегами из Сколковского института науки и технологий и Южно-Уральского федерального научного центра минералоги и геоэкологии УрО РАН изучили процессы стеклообразования и кристаллизации в полищелочной силикатной системе. Результаты исследования опубликованы в журнале Inorganic Chemistry.

Авторы показали, что распределение лития и калия в структуре силикатных стекол происходит неравномерно и напрямую влияет на свойства материала и состав кристаллических фаз, образующихся при охлаждении расплава. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными и могут использоваться для прогнозирования структуры и свойств новых стеклообразных и керамических материалов.

Интерес к моделированию оксидных систем связан с широким применением стеклообразных материалов в геохимии, фотонике, энергетике и материаловедении. Подобные системы используются при создании оптических устройств, твердофазных электролитов и функциональных материалов. Кроме того, понимание процессов формирования стёкол и их кристаллизации важно для изучения природных магматических расплавов и прогнозирования свойств материалов с заданными характеристиками.

Теоретические исследования состава и структуры силикатных расплавов, а также образующихся при охлаждении стёкол и кристаллических фаз, были проведены с помощью термодинамического моделирования и квантово-химических расчётов, соответственно. Для моделирования структуры стёкол использовался термодинамический подход, основанный на минимизации свободной энергии на ПК «Селектор-С», а устойчивые кристаллические фазы рассчитывались методом функционала плотности (DFT). Исследование закономерностей кристаллизации и изучения структуры при фазовом разделении сложных стеклообразующих расплавов имеет не только фундаментальную, но и практическую значимость.

«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.

Авторы работы синтезировали образцы стекла различного состава системы Li₂O−K₂O−SiO₂.

Распределение фаз в системе в зависимости от общего содержания оксидов щелочных металлов. Штриховыми линиями обозначены экспериментально исследованные составы

Структуру образцов изучали с помощью Рамановской спектроскопии и рентгенофазового анализа. По результатам моделирования и экспериментальных исследований ученые установили, что распределение лития и калия между структурными единицами силикатной сетки происходит неравномерно. Эти особенности оказывают существенное влияние на структуру стёкол и состав кристаллических фаз, образующихся при охлаждении расплава. Кроме того, исследователи подтвердили хорошее качественное согласие между экспериментальными данными и теоретическими расчётами. В системе были выявлены устойчивые фазы KLiSi₂O₅, Li₂SiO₃, K₂SiO₃, KLi₃SiO₄ и SiO₂. Авторы отмечают, что использованный подход позволяет спрогнозировать фазовый состав силикатных систем в широком диапазоне составов и может быть полезен в различных областях науки, в том числе для разработки новых стеклообразных и керамических материалов.

Источник: ГЕОХИ РАН.