ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ НАТРИЕВО-СИЛИКАТНОГО СТЕКЛА

УДК 539.213.28

А.Н. Киселева, И.А. Голубева

ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ НАТРИЕВО-СИЛИКАТНОГО СТЕКЛА

В данной работе была построена и исследована решеточная модель

Na2O-2SiO2 стекла.

In thispaper Na2O-2SiO2 glass model structure was researched.

Исследование структуры и свойств силикатных стекол привлекает в последние годы повышенное внимание как с теоретической, так и с прикладной точки зрения. Большое количество приборов, применяемых в атомной энергетике (волоконно-оптические датчики, системы для передачи изображения из ядерных установок и др.) и космическом приборостроении (иллюминаторы, призмы, линзы), изготовлено из кварцевых стекол [1]. Радиационные дефекты, генерируемые в стеклах под действием ионизирующего излучения, оказывают существенное влияние на оптические свойства [2]. Воздействие высокоэнергетических излучений [4] применяется для эффективного изменения оптических свойств натриево-силикатных стекол, которые широко используются в оптике и промышленности [3, 4]. В работе [1] приводятся данные исследования воздействия потока g -квантов на оптические свойства натриево-силикатных стекол. Прямые экспериментальные методы, использующие дифракцию рентгеновских лучей, ядерный магнитный резонанс, ИК-спектроскопия и другие физические исследования дают важную информацию о строении и свойствах стекол. Но на сегодняшний день большое значение уделяют построению теоретических моделей неупорядоченных систем с использованием моделирования на ЭВМ. Даже для хорошо изученных стеклообразных систем компьютерное моделирование может как дополнить уже известную структуру, так и предложить метод для проверки различных моделей и предположений. В частности, такая модель позволит изучить радиационные свойства облученных стекол без экспериментального изучения.

Целью данной работы является построение геометрической модели натриево-силикатного стекла с помощью программы Diamond 3.

Diamond 3 - современный пакет программ, позволяющий визуализировать кристаллическую структуру на атомном уровне. Она предлагает широкий набор функций, которые дают возможность легко моделировать произвольные части кристаллической структуры с базовым набором структурных параметров (ячейка, пространственная группа, атомные позиции).

Общий алгоритм работы с программой:

Моделирование начинается с формирования исходной конфигурации атомов. Для этого необходимо определить геометрическую структуру исследуемого вещества. Na2O-2SiO2 имеет следующий оксидный состав: Na20=34,04%, Si02=65,96%. Дисиликат натрия высокотемпературной формы относится к ромбической сингонии. Пространственная группа P/cnb, Z=4 [5] (рис. 1).

Рис. 1. Задание пространственной группы и параметров элементарной ячейки Ка20-28102.

Число атомов модели выбирается, исходя из возможностей компьютера. В нашей работе рассматривается простейший случай, когда конфигурация полностью характеризуется координатами точек, в которых расположены центры атомов. Эти точки при получении исходной конфигурации разбрасываются случайным образом. В данном случае сложность заключается в том, что стекло является аморфным веществом, не имеющим строгой упорядоченной структуры. Для выполнения этого условия ячейка стекла будет включать около 70-100 атомов (в отличие от кристаллов, структура которых может быть построена при использовании до 10 атомов). При построении ячейки натриево-силикатного стекла использовались координаты составляющих атомов из кристаллографической базы данных для минералов и их структурных аналогов [5] (рис.

Исходная структура ячейки получается автоматически в ходе работы алгоритма и определяется взаимодействием атомов (рис. 4).

В данной структуре атом кремния находится в центре тетраэдра 8104 и связан с четырьмя атомами кислорода. Соединяются кремнекислородные тетраэдры вершинами, через мостиковый ион кислорода. При введении Ка20 происходит беспорядочное разрыхление трехмерной структуры в результате разрыва связей -81-0-81- и образования связи -81-0-, с немостиковыми атомами кислорода (рис. 2).

Следствием этого является возникновение связей немостиковых атомов кислорода с ионами щелочных металлов, заполняющими микропустоты кремнекислородной сетки. Жесткость

кремнекислородного каркаса объясняет отсутствие связей ионов натрия с мостиковыми атомами кислорода [6].

Рис. 2. Задание координат атомов N20-28102.

Рис. 3. Схематическое изображение на плоскости строения натриево-силикатного стекла.

Рис. 4. Фрагмент решеточной модели Na20-2Si02. С помощью графического интерфейса пакета Diamant 3, который позволяет генерировать входные данные и быстро визуализировать эти данные, была построена ячейка структурной модели натриево-силикатного стекла.