Экспериментально подтверждено единство структурной модели процессов стеклования и кристаллизации

Сотрудники лаборатории кристаллохимии Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) совместно с коллегами из Сколковского института науки и технологий и ЮУ ФНЦ МиГ УрО РАН изучили процессы стеклообразования и кристаллизации в полищелочной силикатной системе. 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.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Inorganic Chemistry».

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 стекол 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 стекол и кристаллических фаз, были проведены с помощью термодинамического моделирования и квантово-химических расчетов, соответственно. Для моделирования структуры стекол 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 расчетов согласуются с экспериментальными данными», — прокомментировала одна из авторов исследования, заведующая лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ РАН, доктор химических наук Ольга Королева.

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

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 стекол и состав кристаллических фаз, образующихся при охлаждении расплава. Кроме того, исследователи подтвердили хорошее качественное согласие между экспериментальными данными и теоретическими расчетами. 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: Пресс –служба ГЕОХИ РАН