В МГУ моделируют свойства оксида магния в разных фазовых состояниях

Сотрудники кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова вместе с коллегами из университета Гренобль-Альпы провели исследование свойств кристаллического и жидкого оксида магния.

Они рассчитали его характеристики, такие как структура, способность сохранять или отдавать тепло, а также свойства, связанные с течением вещества при разных температурах.

Это исследование стало возможным благодаря гранту от Министерства науки и высшего образования России и поддержке французского национального агентства ANR.

Результаты работы были опубликованы в научном журнале Ceramics.

Ученые выражают благодарность организациям CINES, IDRIS и TGCC за предоставленные вычислительные ресурсы и возможность использовать их оборудование в рамках проекта № INP2227/72914/gen5054. Также они благодарят CIMENT/GRICAD за помощь в проведении расчетов.

Исследование проводилось в рамках национального проекта «Наука и университеты».

Оксид магния — это вещество, которое широко используется в разных областях науки и техники. Оно входит в состав цементов, стекол, огнеупорных материалов. Его даже используют как пищевую добавку (E530) и в других материалах с особыми свойствами.

Понимание свойств оксида магния важно для изучения процессов образования минералов на Земле и планетах Солнечной системы. Но информации о свойствах этого вещества в жидком и переохлажденном состоянии не так много, хотя оно и используется во многих областях. Это связано с тем, что оксид магния плавится при очень высокой температуре, и проводить эксперименты с ним сложно.

В таких случаях компьютерное моделирование становится хорошей альтернативой эксперименту.

Есть разные способы подсчета физико-химических свойств веществ. Наиболее точные результаты дают расчеты с помощью метода под названием «ab initio молекулярная динамика». Но чтобы получить достоверные значения этим методом, нужно много времени и ресурсов компьютера.

Поэтому ученые используют сочетание двух подходов. Сначала они применяют метод ab initio для расчета свойств небольшого количества атомов. Затем используют полученные данные как образец или пример для других вычислений. Это помогает подобрать правильные параметры взаимодействия в классических молекулярно-динамических расчетах.

Работа по определению параметров моделей оксида магния является частью большого исследования. Ее цель — создать общую физико-химическую модель оксидной системы, которая включает в себя несколько элементов: CaO, MgO, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, Fe₂O₃ и другие.

Ученые использовали оптимизированные параметры взаимодействия потенциала Борна-Майера-Хаггинса, чтобы сравнить расчетные данные с результатами экспериментов для ряда свойств (таких как изменение энтальпии, теплоемкости, плотности). Например, рассчитанная температура плавления оказалась ближе к последним и наиболее точным измерениям, чем значение, указанное в справочниках.

Хотя не все свойства удалось описать с высокой точностью, закономерности изменения свойств, наблюдаемые в экспериментах, воспроизводятся при моделировании. Это позволяет рассматривать использованные подходы как перспективные.

Мы планируем продолжать изучение оксидных систем и добавлять в них новые компоненты. Наша работа уже позволяет нам предсказать свойства аморфных фаз в системе с четырьмя компонентами: CaO, MgO, Al₂O₃ и TiO₂. Это может быть полезно в разных областях: например, мы сможем моделировать свойства веществ в условиях, которые невозможно изучить экспериментально. Также это поможет понять, как формируются планеты и планетарные системы, что важно для геотермобарометрии – пояснила соавтор работы, д.х.н., профессор Ирина Успенская.

Ранее ученые испытали оксид магния в чрезвычайных условиях и выяснили, как он ведет себя в ядре Земли.

24.12.2024