Teoría del Funcional de la Densidad en cristales de silicato de potasio. Aplicación al cálculo de propiedades mecánicas y microdureza Vickers en vidrios
Resumen: En este trabajo se presenta un estudio en el que se aplica la teoría funcional de densidad (DFT), utilizando el software CASTEP, para cristales de silicato (K2SiO3, K2Si2O5 y K2Si4O9) y de óxido de silicio (cuarzo). La densidad de estados (DOS) de estos silicatos muestra que los dos tipos d...
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|---|---|
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Elsevier
2022-03-01
|
| Series: | Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0366317520300832 |
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| author | Thais Cleofé Linares Fuentes Cecilio Julio Alberto Garrido Schaeffer Wilfredo More Nilo Felipe Cornejo Aitana Tamayo Juan Rubio |
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| description | Resumen: En este trabajo se presenta un estudio en el que se aplica la teoría funcional de densidad (DFT), utilizando el software CASTEP, para cristales de silicato (K2SiO3, K2Si2O5 y K2Si4O9) y de óxido de silicio (cuarzo). La densidad de estados (DOS) de estos silicatos muestra que los dos tipos de átomos de oxígeno, puente (BO) y no puente (NBO), tienen una distribución electrónica significativamente diferente en los orbitales 2p y 2s, debido a un ambiente químico inmediato diferente. Esto lleva a un desplazamiento a energías menores de las bandas de valencia s y p de la densidad de estados parcial (PDOS) del NBO de alrededor de 2 eV respecto de la PDOS del BO. En el cristal de menor contenido en K2O (K2Si4O9), se incrementan los enlaces covalentes Si-O debido a la transferencia de carga electrónica del orbital 4s del átomo de potasio al NBO, y de este NBO al átomo de silicio y, finalmente, a todos los átomos del tetraedro, lo que permite mejorar la fuerza de enlace del sistema. Este hecho resulta en que el material final tenga una mayor resistencia mecánica. Por otro lado, en el K2Si2O5 (el cual posee un NBO por tetraedro) el enlace Si-O es más débil con respecto al del K2Si4O9, tendencia que se acentúa en el K2SiO3 (que posee dos NBO por tetraedro). Esta misma tendencia sigue la dureza Vickers calculada teóricamente. Este estudio se ha aplicado a vidrios de silicato de potasio obtenidos experimentalmente y se han comparado varias propiedades mecánicas con las teóricas de los respectivos cristales de igual composición química. Los NBO tanto de cristales como de vidrios se han cuantificado a partir de las unidades estructurales Qn. Se ha observado que las propiedades mecánicas de los vidrios no pueden ser explicadas únicamente por las contribuciones de los tetraedros libres unidos por el vértice y caracterizados por sus BO y NBO como función de la concentración en K2O, es decir por los Qn. Esto es debido a que la DFT de CASTEP para sistemas cristalinos considera todo orden de interacción. Por ello es necesario utilizar estructuras a alcance intermedio, denominadas como unidades estructurales rígidas (RSU). La contribución de los tetraedros libres se ha calculado usando la dureza Vickers del cristal y un factor de apantallamiento por la pérdida de la interacción de medio y largo alcance. En el trabajo se explica el comportamiento de la dureza Vickers y módulo de Young de vidrios de SiO2-K2O en un amplio rango de composiciones molares. Summary: In this work, a study is presented in which the density functional theory (DFT) is applied, using the CASTEP software, for crystals of silicate (K2SiO3, K2Si2O5 and K2Si4O9) and of silicon oxide (quartz). The Density of State (DOS) of these silicates shows that the two types of oxygen atoms, bridging (BO) and non-bridging (NBO), have a significantly different electron distribution in the 2p and 2s orbitals, due to a different and close chemical environment. This leads to a displacement to lower energies (around 2 eV) of the s and p valence bands of the partial density state (PDOS) of the NBO regarding the PDOS of the BO. In the crystal with the lowest K2O concentration (K2Si4O9), the covalent Si-O bonds are increased due to the electronic charge transfer of the 4s orbital from the potassium atom to the NBO, and from this NBO to the silicon atom and, finally, to all the atoms of the tetrahedron, which allows to improve the bond strength of the whole system. This fact results in the final material having a higher mechanical resistance. On the other hand, in K2Si2O5 (which has one NBO per tetrahedron) the Si-O bond is weaker compared to K2Si4O9, a tendency that is highlighted in K2SiO3 (which has two NBOs per tetrahedron). This same trend follows the theoretically calculated Vickers hardness. This study has been applied to experimentally obtained potassium silicate glasses and several mechanical properties have been compared with the theoretical properties of the respective crystals of similar chemical composition. The NBO of both crystals and glasses have been quantified from the Qn structural units. It has been observed that the glass mechanical properties cannot be only explained by the contributions of the free tetrahedral joined by the vertice and characterized by their BO and NBO as a function of the concentration in K2O, that is by Qn. This is because CASTEP's DFT theory for crystalline systems considers every order of interaction. Therefore, it is necessary to use intermediate-range structures called rigid structural units (RSUs). The contribution of free tetrahedral has been calculated using the Vickers hardness of the crystal and a screening factor for the loss of medium and long range interactions. This work explains the behaviour of the Vickers hardness and Young's modulus of SiO2-K2O glasses in a wide range of molar compositions. |
| first_indexed | 2024-12-12T21:08:18Z |
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| issn | 0366-3175 |
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| publishDate | 2022-03-01 |
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| series | Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio |
| spelling | doaj.art-303202917e9f4e78b3b7a7629f26707b2022-12-22T00:11:56ZengElsevierBoletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio0366-31752022-03-01612107120Teoría del Funcional de la Densidad en cristales de silicato de potasio. Aplicación al cálculo de propiedades mecánicas y microdureza Vickers en vidriosThais Cleofé Linares Fuentes0Cecilio Julio Alberto Garrido Schaeffer1Wilfredo More2Nilo Felipe Cornejo3Aitana Tamayo4Juan Rubio5Departamento de Química Orgánica. Facultad de Química e Ingeniería Química, UNMSM, Lima, PerúDepartamento de Operaciones Unitarias. Facultad de Química e Ingeniería Química, UNMSM, Lima, PerúInstituto de Cerámica y Vidrio, Madrid, EspañaInstituto de Cerámica y Vidrio, Madrid, EspañaInstituto de Cerámica y Vidrio, Madrid, España; Autor para correspondencia.Instituto de Cerámica y Vidrio, Madrid, EspañaResumen: En este trabajo se presenta un estudio en el que se aplica la teoría funcional de densidad (DFT), utilizando el software CASTEP, para cristales de silicato (K2SiO3, K2Si2O5 y K2Si4O9) y de óxido de silicio (cuarzo). La densidad de estados (DOS) de estos silicatos muestra que los dos tipos de átomos de oxígeno, puente (BO) y no puente (NBO), tienen una distribución electrónica significativamente diferente en los orbitales 2p y 2s, debido a un ambiente químico inmediato diferente. Esto lleva a un desplazamiento a energías menores de las bandas de valencia s y p de la densidad de estados parcial (PDOS) del NBO de alrededor de 2 eV respecto de la PDOS del BO. En el cristal de menor contenido en K2O (K2Si4O9), se incrementan los enlaces covalentes Si-O debido a la transferencia de carga electrónica del orbital 4s del átomo de potasio al NBO, y de este NBO al átomo de silicio y, finalmente, a todos los átomos del tetraedro, lo que permite mejorar la fuerza de enlace del sistema. Este hecho resulta en que el material final tenga una mayor resistencia mecánica. Por otro lado, en el K2Si2O5 (el cual posee un NBO por tetraedro) el enlace Si-O es más débil con respecto al del K2Si4O9, tendencia que se acentúa en el K2SiO3 (que posee dos NBO por tetraedro). Esta misma tendencia sigue la dureza Vickers calculada teóricamente. Este estudio se ha aplicado a vidrios de silicato de potasio obtenidos experimentalmente y se han comparado varias propiedades mecánicas con las teóricas de los respectivos cristales de igual composición química. Los NBO tanto de cristales como de vidrios se han cuantificado a partir de las unidades estructurales Qn. Se ha observado que las propiedades mecánicas de los vidrios no pueden ser explicadas únicamente por las contribuciones de los tetraedros libres unidos por el vértice y caracterizados por sus BO y NBO como función de la concentración en K2O, es decir por los Qn. Esto es debido a que la DFT de CASTEP para sistemas cristalinos considera todo orden de interacción. Por ello es necesario utilizar estructuras a alcance intermedio, denominadas como unidades estructurales rígidas (RSU). La contribución de los tetraedros libres se ha calculado usando la dureza Vickers del cristal y un factor de apantallamiento por la pérdida de la interacción de medio y largo alcance. En el trabajo se explica el comportamiento de la dureza Vickers y módulo de Young de vidrios de SiO2-K2O en un amplio rango de composiciones molares. Summary: In this work, a study is presented in which the density functional theory (DFT) is applied, using the CASTEP software, for crystals of silicate (K2SiO3, K2Si2O5 and K2Si4O9) and of silicon oxide (quartz). The Density of State (DOS) of these silicates shows that the two types of oxygen atoms, bridging (BO) and non-bridging (NBO), have a significantly different electron distribution in the 2p and 2s orbitals, due to a different and close chemical environment. This leads to a displacement to lower energies (around 2 eV) of the s and p valence bands of the partial density state (PDOS) of the NBO regarding the PDOS of the BO. In the crystal with the lowest K2O concentration (K2Si4O9), the covalent Si-O bonds are increased due to the electronic charge transfer of the 4s orbital from the potassium atom to the NBO, and from this NBO to the silicon atom and, finally, to all the atoms of the tetrahedron, which allows to improve the bond strength of the whole system. This fact results in the final material having a higher mechanical resistance. On the other hand, in K2Si2O5 (which has one NBO per tetrahedron) the Si-O bond is weaker compared to K2Si4O9, a tendency that is highlighted in K2SiO3 (which has two NBOs per tetrahedron). This same trend follows the theoretically calculated Vickers hardness. This study has been applied to experimentally obtained potassium silicate glasses and several mechanical properties have been compared with the theoretical properties of the respective crystals of similar chemical composition. The NBO of both crystals and glasses have been quantified from the Qn structural units. It has been observed that the glass mechanical properties cannot be only explained by the contributions of the free tetrahedral joined by the vertice and characterized by their BO and NBO as a function of the concentration in K2O, that is by Qn. This is because CASTEP's DFT theory for crystalline systems considers every order of interaction. Therefore, it is necessary to use intermediate-range structures called rigid structural units (RSUs). The contribution of free tetrahedral has been calculated using the Vickers hardness of the crystal and a screening factor for the loss of medium and long range interactions. This work explains the behaviour of the Vickers hardness and Young's modulus of SiO2-K2O glasses in a wide range of molar compositions.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0366317520300832DFTCASTEPCrystalGlassPotassium silicateVickers hardness |
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