Symulacje klasycznej dynamiki molekularnej szkieł z układu P2O5-Fe2O3-FeO

Goj, P.; Stoch, P.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Symulacje klasycznej dynamiki molekularnej szkieł z układu P2O5-Fe2O3-FeO

Autorzy

Goj P. , Stoch P.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://mccm.ptcer.pl/

Identyfikatory

Warianty tytułu

Molecular dynamics simulations of P2O5-Fe2O3-FeO glass system

Języki publikacji

PL EN

Abstrakty

Szkła fosforanowe ze względu na swoje właściwości zyskały wiele zastosowań np. w medycynie czy ochronie środowiska. Wprowadzenie żelaza do więźby tych szkieł powoduje poprawę ich odporności chemicznej. Najwyższą odpornością chemiczną cechuje się szkło o składzie 40% mol. Fe2O3 – 60% mol. P2O5. Żelazo w tych szkłach może występować zarówno na III, jak i na II stopniu utleniania. Ich wzajemny stosunek zależy nie tylko od atmosfery w jakiej było topione szkło, ale również od temperatury i czasu topienia. W pracy wykorzystano symulacje klasycznej dynamiki molekularnej MD w celu określenia wpływu jonów Fe(II) na więźbę szkieł z układu P2O5–Fe2O3–FeO. Uzyskane wyniki dobrze zgadzają się z obecnym stanem wiedzy na temat tych szkieł. W symulowanych szkłach odległości między najbliższymi parami jonów P–O, Fe(II)–O, Fe(III)–O i O–O nie zależą od zawartości Fe(II) w strukturze. Wraz ze wzrostem zawartości Fe(II) wzrasta ilość Fe(II) i Fe(III) o koordynacjach większych niż 4.

Due to its properties, phosphate glasses have gained many applications, e.g. in medicine or environmental protection. The incorporation of iron to the glass network causes improvement of chemical durability. The highest chemical durability among others has glass with a composition of 40 mol%Fe2O3 – 60 mo% P2O5. Iron in these glasses may occur on both III and II stage of oxidation. Their ratio depends not only on the atmosphere in which the glass was melted, but also on the temperature and melting time. The work uses the simulations of classic molecular dynamics MD to determine the effect of Fe(II) ions on network of glasses from the P2O5–Fe2O3–FeO system. The obtained results agree well with the current state of knowledge about these glasses. In simulated glasses, the distances between the closest pairs of ions P-O, Fe(II)-O, Fe(III)-O and O-O do not depend on the Fe (II) content in the structure. With the increase in the Fe (II) content, the Fe (II) and Fe (III) levels are increased with coordination greater than 4.

Słowa kluczowe

dynamika molekularna symulacja struktury szkła szkła fosforanowe więźba szkła

molecular dynamics glass structure simulations phosphate glasses iron phosphate glasses

Wydawca

Polskie Towarzystwo Ceramiczne

Czasopismo

Materiały Ceramiczne

Rocznik

2018

Tom

T. 70, nr 2

Strony

102--115

Opis fizyczny

Bibliogr. 33 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Goj P.

pgoj@agh.edu.pl

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30–059 Kraków

autor

Stoch P.

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30–059 Kraków

Bibliografia

[1] Abou Neel, E. A., Pickup, D. M., Valappil, S. P., Newport, R. J., Knowles, J. C.: Bioactive functional materials: a perspective on phosphate-based glasses, J. Mater. Chem., 19, (2009), 690–701.
[2] Knowles, J.C.: Phosphate based glasses for biomedical applications, J. Mater. Chem., 13, (2003), 2395–2401.
[3] Liang, X., Zhu, C., Yang, Y., Yuan, S., Chen, G.: Luminescent properties of Dy3+-doped and Dy3+–Tm3+ co-doped phosphate glasses, J. Luminescence, 128, (2008), 1162–1164.
[4] Hoyo, J., Sotillo, B., Hernandez, M., Toney Fernandez, T., Haro-González, P., Jaque, D., Fernandez, P., Domingo, C., Siegel, J., Solis, J.: Strong ion migration in high refractive index contrast waveguides formed by femtosecond laser pulses in phosphate glass, in Proc. SPIE. (J.I. Mackenzie, H. JelÍnková, T. Taira, M. Abdou Ahmed Eds.), Int. Soc. Opt. Photon., (2014): p. 91351G.
[5] Selvaraj, U., Rao, K. J.: Transport properties of phosphomolybdate and phosphotungstate glasses, Philos. Mag. Part B, 58, (1988), 203–216.
[6] Stoch, P., Ciecińska, M.: Ceramika fosforanowa w immobilizacji odpadów radioaktywnych – przegląd literaturowy, Mater. Ceram., 64, (2012), 438–442.
[7] Joseph, K., Jolley, K., Smith, R.: Iron phosphate glasses: Structure determination and displacement energy thresholds, using a fixed charge potential model, J. Non-Cryst. Solids, 411, (2015), 137–144.
[8] Al-Hasni, B., Mountjoy, G.: Structural investigation of iron phosphate glasses using molecular dynamics simulation, J. Non-Cryst. Solids, 357, (2011), 2775–2779.
[9] Stoch, P., Szczerba, W., Bodnar, W., Ciecinska, M., Stoch, A., Burkel, E.: Structural properties of iron-phosphate glasses: spectroscopic studies and ab initio simulations, Phys. Chem. Chem. Phys., 16, (2014), 19917–19927.
[10] Brow, R. K.: Review: the structure of simple phosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids, 263, (2000), 1–28.
[11] Stoch, P., Stoch, A., Ciecinska, M., Krakowiak, I., Sitarz, M.: Structure of phosphate and iron-phosphate glasses by DFT calculations and FTIR/Raman spectroscopy, J. Non-Cryst. Solids, 450, (2016), 48–60.
[12] Ojovan, M. I., Lee ,W. E., Ojovan, M. I., Lee, W. E.: An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation, Elsevier, (2014): pp. 245–282.
[13] Hoppe, U., Walter, G., Kranold, R., Stachel, D.: Structural specifics of phosphate glasses probed by diffraction methods: a review, J. Non-Cryst. Solids, 263–264, (2000), 29–47.
[14] Marasinghe, G. K., Karabulut, M., Ray, C. S., Day, D.,E., Shumsky, M. G., Yelon, W. B., Booth, C. H., Allen, P. G., Shuh, D. K.: Structural features of iron phosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids, 222, (1997), 144–152.
[15] Yu, X., Day, D. E., Long, G. J., Brow, R. K.: Properties and structure of sodium-iron phosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids, 215, (1997), 21–31.
[16] Ray, C. S., Fang, X., Karabulut, M., Marasinghe, G. K., Day, D. E.: Effect of melting temperature and time on iron valence and crystallization of iron phosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids, 249, (1999), 1–16.
[17] Wright, A. C., Sinclair, R. N., Shaw, J. L., Haworth, R., Marasinghe, G. K., Day, D. E., Bingham, P., Forder, S. D., Cuello, G. J., Fischer, H. J., Taylor, J. W.: The atomic and magnetic structure and dynamics of iron phosphate glasses, Phys. Chem. Glasses: Eur. J. Glass Sci. Technol. B, 53, (2012), 227–244.
[18] Rapaport, D. C.: The art of molecular dynamics simulation, Cambridge University Pres, Cambridge, (2004).
[19] Pang, T.: Metody obliczeniowe w fizyce : fizyka i komputery, Wydawnictwo Naukowe PWN, (2001).
[20] Stoch, P., Stoch, A.: Structure and properties of Cs containing borosilicate glasses studied by molecular dynamics simulations, J. Non-Cryst. Solids, 411, (2015), 106–114.
[21] Stoch, P., Ciecińska, M., Stoch, A.: Wykorzystanie metody MD w projektowaniu procesu witryfikacji odpadów radioaktywnych, Mater. Ceram., 62, (2010), 3–13.
[22] Jolley, K., Smith, R.: Radiation tolerance of iron phosphate: A study of amorphous and crystalline structures, J. Nuclear. Mater., 479, (2016), 347–356.
[23] Plimpton, S.: Fast Parallel Algorithms for Short – Range Molecular Dynamics, J. Comput. Phys., 117, (1995), 1–19.
[24] Plimpton, S., Pollock, R., Stevens, M. J.: Particle Mesh Ewald and rRESPA for Parallel Molecular Dynamics Simulations, Proceedings of the Eighth Siam Conference on Parallel Processing for Scientific Computing, (1997), 1–13.
[25] Jolley, K., Smith, R.: Iron phosphate glasses: Structure determination and radiation tolerance, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 374, (2016), 8–13.
[26] Stukowski, A.: Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool, Modelling and Simulation, Mater. Sci. Eng., 18, (2010).
[27] Wedgwood, F. A., Wright, A. C.: Short range antiferromagnetic ordering in vitreous Fe2O3-P2O5, J. Non-Cryst. Solids, 21, (1976), 95–105.
[28] Reis, S. T., Moguš-Milanković, A., Ličina, V., Yang, J. B., Karabulut, M., Day, D. E., Brow, R. K.: Iron redox equilibrium, structure and properties of zinc iron phosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids, 353, (2007), 151–158.
[29] Bingham, P. A., Hand, R. J., Hannant, O. M., Forder, S. D., Kilcoyne, S. H.: Effects of modifier additions on the thermal properties, chemical durability, oxidation state and structure of iron phosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids, 355, (2009), 1526–1538.
[30] Zallen, R.: Fizyka Ciał Amorficznych, Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa, (1994).
[31] Petkov, V.: Atomic-scale structure of glasses using high-energy X-ray diffraction, J. Am. Ceram. Soc., 88, (2005), 2528–2531.
[32] Romero, M., Rincon, J. M., Mûsik, S., Kozhukharov, V.: Mössbauer Effect and X-ray distribution function analysis in complex Na2O–CaO–ZnO–Fe2O3–Al2O3–SiO2 glasses and glass-ceramics, Mater. Res. Bull., 34, (1999), 1107–1115.
[33] Sivia, D. S.: Elementary Scattering Theory: For X-ray and Neutron Users, Oxford University Press, (2011).

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-a6b6f72d-c40e-449f-a3e9-3256fa8a31de