USING AB INITIO DATA OF MOLECULAR DYNAMICS TO ANALYZE STRUCTURAL UNITS AND THEIR STABILITY IN BORON-OXYGEN NETWORK OF MELT B2O3–Na2O

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The aim of this work was to develop a computational-theoretical method for a detailed study of the geometry and statistical characteristics of local structural groups of complex liquids such as alkaline borate systems, tending to form a bulk boron-oxygen network. The technique was worked out a melt 30Na2O–70B2O3 as an example at T = 1273 K. Ab initio molecular dynamics was used, implemented in the VASP program code for a supercell consisting of 250 atoms. The ion coordinates obtained at each step were used to obtain statistically significant information about the detailed structure of the melt. Using the original program developed for this purpose, we determined the partial radial distribution functions of the of atoms and analyzed all the closest coordinations found in the model around each type of ions, also the types and number of stable groups, bond lengths and angles in them. In addition, the tetrahedrality criterion for units BO4 and ВB4 were defined. Almost regular triangles (~80% of boron atoms) and tetrahedra (~19% of boron atoms) with a boron ion in the center and oxygen ions at the vertices proved to be the basic structural units. These simple structures form a boron-oxygen network connected by common (bridging) oxygen atoms. This network includes almost all boron atoms. Superstructural units, namely combinations of three or more basic structures have been found. For example, two triangles and one tetrahedron are forming rings of six alternating boron and oxygen atoms. Besides, the existence of rings that are formed from four basic structural units were discovered, but they in contrast to six-atom rings, are not planar formations. The proposed technique allows to obtain almost any details on the structural features of systems of this type, in particular, to answer the important question about the number of bridging and non-bridging oxygen atoms. It turned out that there are approximately 86% of bridging oxygens in studied system. The approach used considers correctly covalent and ionic bonds in liquid systems based on network-forming oxides and modifier-oxides. That will make possible to study the change in local structural characteristics and its dependence on concentration and temperature explaining the behavior of various physico-chemical properties.

About the authors

A. A. Yuryev

Institute of metallurgy, Ural Branch of RAS

Author for correspondence.
Email: yurev_anatolii@mail.ru
Russia, Yekaterinburg

M. M. Tsymbalist

Institute of metallurgy, Ural Branch of RAS

Email: yurev_anatolii@mail.ru
Russia, Yekaterinburg

M. A. Samoylova

Institute of metallurgy, Ural Branch of RAS

Email: yurev_anatolii@mail.ru
Russia, Yekaterinburg

A. A. Khokhryakov

Institute of metallurgy, Ural Branch of RAS

Email: yurev_anatolii@mail.ru
Russia, Yekaterinburg

References

  1. Krogh-Moe J. // Phys. Chem. Glasses 1969. 6. 2. P. 46–54. https://doi.org/10.1016/0022-3093(69)90025-8
  2. Yano T., Kunimine N., Shibata S., Yamane M. // J. Non-Crystalline Solids. 2003. 321. P. 147–156. 10.1016/S0022-3093(03)00159-5' target='_blank'>https://doi: 10.1016/S0022-3093(03)00159-5
  3. Osipov A.A., Osipova L.M. // GlassPhys. Chem. 2009. 35. P. 121–131. https://doi.org/10.1134/S1087659609020011
  4. Handa K., Kita Y., Kohara S. // J. Physics and Chemistry of Solids. 1999. 60. P. 1465–1471. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(99)00143-2
  5. Fábián M., Sváb E., Proffen T., Veress E. // J. Non-Crystalline Solids 2010. 356. P. 441–446. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.12.013
  6. Guillaume F., Charpentier T., Seitsonen A. P., Takada A., Lazzeri M., Cormier L., Calas G., Mauri F. // Phys. Rev. Lett. 2008. 101. 065504. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.065504
  7. Bubnova R.S., Filatov S. K. Vysokotemperaturnaya kristallohimiya boratov i borosilikatov. [High-temperature Crystal Chemistry of Borates and borosilicates]. Saint-Petersburg: Nauka, 2008. [In Russian].
  8. Kaiura G.H., Toguri J.M. The viscosity and structure of sodium borate melts // Physics and chemistry of glasses // Phys and Chem Glasses. 1976. 17. № 3. P. 62–69.
  9. Shartsis L., Capps W., Spinner S. Viscosity and electrical resistivity of molten alkali borates // J. Am. Cer. Soc. 1953. 36. № 2. P. 35–43.
  10. Claes P., Coq J.L., Glibert J. // Electrochimica Acta. 1988. 33. P. 347–352. https://doi.org/10.1016/0013-4686(88)85027-8
  11. Melchakov S.Y., Khokhryakov A.A., Samoilova M.A., Ryabov V.V., Yagodin D.A. // Glass. Phys. Chem. 2022. 48. № 3. P. 174–179. https://doi.org/10.1134/S1087659622030063
  12. Khokhryakov A.A., Melchakov S.Y., Samoilova M.A., Ryabov V.V. // Inorganic materials. 2022. 58. № 5. P. 538–543. https://doi.org/10.1134/S0020168522050053
  13. Cristos-Platon E., Varsamis // Phys. Rev B. 2002. 65. P. 104203–104217. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.104203
  14. Ohkubo T., Takahiro O., Tsuchida E., Gobet M., Sarou-Kanian V., Bessada C., Yasuhiko I. // J. Phys. Chem. B. 2013. 117. P. 5668−5674. https://doi.org/10.1021/jp312486m
  15. Yuryev A.A., Samoylova M.A. // J. Structural Chemistry. 2020. 61. 5. P. 681–687. https://doi.org/10.1134/S0022476620050029
  16. Xu Q., Kawamura K., Yokokawa T. // J. Non-Cryst. Solids. 1988. 104. P. 261–272. https://doi.org/10.1016/0022-3093(88)90397-3
  17. Kita Y., Misawa M. Umesaki N., Kirihara T., Fukunaga T., Iida T. ISIJ International. 1993. 33. № 1. P. 188–194. https://doi.org/10.2355/isijinternational.33.188 18. Umesaki N., Kita Y., Kirihara T., Iida T., Fukunaga T., Misawa M. // J. Non-Crystalline Solids. 1994. 177. P. 200–207. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90531-2 19. Pooja S., Pente A.A., Mandar D.S., Chowdhri I.A., Sharma K., Goswami M., Kalsanka T.S., Sadhana M. // J. Phys. Chem. B. 2019. 123. P. 6290–6302. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.9b03026 20. Kresse G., Furthmuller J. // Phys. Rev. B. American Physical Society. 1996. 54. P. 11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169 21. Tsymbalist M.M., Yuryev A.A. Svidetel’stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlya EVM № 2 020 618 833 programma dlya EVM “StatXYZ”. [Certificate of state registration of the computer program No. 2 020 618 833 computer program “StatXYZ”]. [In Russian]. 22. Errington J.R., Debenedetti P.G. // Nature. 2001. 409. P. 318–321. https://doi.org/10.1038/35053024 23. Kumar P., Buldyrev S.V., Stanley H.E. PNAS. 2009. 106. № 52. P. 22130–22134. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0911094106 24. Alderman O.L.G. // J. Phys. Chem. C. 2015. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b10277 25. Majérus O., Cormier L., Calas G., Beuneu B. // Phys. Rev. B. 2003. 67. P. 024210–024217. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.024210 26. Kamitsos E.I., Chyssikos G.D. Solid State Ionics 1998. 105. P. 75–85. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00451-7

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (103KB)
4.

Download (168KB)
5.

Download (268KB)
6.

Download (379KB)
7.

Download (242KB)
8.

Download (566KB)

Copyright (c) 2023 А.А. Юрьев, М.М. Цымбалист, М.А. Самойлова, А.А. Хохряков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».