Квантовомеханічні розрахунки атомної структури та електронної будови карбонатвмісних апатитів кальцію

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorРоманський, Анастас Олександрович
dc.contributor.authorКарбівська, Любов Іванівна
dc.contributor.authorКарбівський, Володимир Леонідович
dc.contributor.authorКузнєцова, Олена Яківна
dc.contributor.authorСтоніс, Віктор Васильович
dc.contributor.authorСорока, Арсен Петрович
dc.date.accessioned2021-03-03T10:41:43Z
dc.date.available2021-03-03T10:41:43Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractenBackground. The inclusion of the CO32- ion into the structure of apatite leads to significant changes in the chemical and physical characteristics of the mineral. The growth rate of the hydroxyapatite crystal significantly decreases with carbonate ions, and the resistance of the tooth enamel and bones to acids is reduced. At the same time, the concentration of CO32- in bone apatite controls the shape and size of nanocrystals of this mineral, which is an important condition for the preservation of nanoscale effects of these crystals and, accordingly, plays an important role in the processes of bone metabolism. Objective. The aim of the paper is theoretical study of the effect of the inclusion of CO32- ion into the apatite structure on the atomic and the electronic structure of the mineral. Methods. Calculations within the density functional theory (DFT) using the Wien2k package, which based on the full-potential (linearized) augmented plane-wave ((L)APW) + local orbitals (lo) method, using the Perdew–Burke–Ernzerhof generalized gradient approximation for solids (PBEsol-GGA). Results. Atomic coordinates, bond lengths, total and partial densities of the electronic states of apatites Са10(РO4)6(ОН)2, Са10(РO4)6СО3, Са10(РO4)6ОН(СО3)0.5, Са9(РO4)5(СО3)(ОН)2 are calculated using the density functional theory. The effect of isomorphic substitution of A and B types on the electronic structure of apatite-like compounds has been investigated. Changes in the atomic structure of apatite are analyzed when CO32- ions are included in its structure, both in the anion and the phosphate tetrahedron positions. Comparison of calculated and experimental data was carried out. Conclusions. It was shown that the structure of the occupied part of the valence bands of both types of isomorphically substituted calcium apatites retains a pronounced band character with different lengths of individual sub-bands. Two energy-separated structural regions were revealed – the upper part of the valence band and the lower part of the valence band – subvalent states. The structure of the middle part of the valence band (the region of valence states with energies from ~14 to 19 eV) is poorly expressed. The main contribution to the formation of the main features of the upper part of the valence band of the studied apatites is made by the hybridized s-, p- and partially d-electronic states of calcium and phosphorus ions. The structure of subvalent states is determined by the s states of oxygen, phosphorus and partly metal. The sublattice of oxygen tetrahedra is decisive in the formation of the shape and main features of the total density of electronic states curve of isomorphically substituted calcium apatites. In the case of B-type substitutions, a significant spatial distortion of the carbonate ion occurs.uk
dc.description.abstractruПроблематика. Включение иона CO32- в структуру апатита приводит к заметным изменениям химических и физических характеристик минерала. В присутствии карбонатных ионов существенно снижается скорость роста кристалла гидроксоапатита (ГАП), уменьшается устойчивость зубной эмали и костей к кислотам. В то же время концентрацией CO32- в костном апатите контролируются форма и размер нанокристаллов этого минерала, что является важным условием сохранения наноразмерных эффектов этих кристаллов и, следовательно, играет важную роль в процессах метаболизма в кости. Цель исследования. Теоретическое исследование влияния включения иона CO32- в структуру апатита на атомную структуру и электронное строение минерала. Методы реализации. Расчеты в рамках теории функционала плотности (DFT) в приближении полнопотенциального метода (линеаризованной) дополненной плоской волны + локальные орбитали ((linearized) augmented plane-wave + local orbitals, (L)APW) + lo) в рамках пакета Wien2k с использованием обобщенного градиентного приближения Пердью–Бурке–Эрнцерхофа для твердых тел (PBEsol-GGA ). Результаты исследования. В рамках теории функционала плотности (DFT) рассчитаны координаты атомов, длины связей, полные и парциальные плотности электронных состояний апатитов Са10(РO4)6(ОН)2, Са10(РO4)6СО3, Са10(РO4)6ОН(СО3)0.5, Са9(РO4)5(СО3)(ОН)2. Исследовано влияние изоморфного замещения типов А и В на электронное строение апатитоподобных соединений. Проанализированы изменения в атомной структуре апатита при включениях в его структуру ионов CO32- в позицию как аниона, так и фосфатного тетраэдра. Проведено сопоставление расчетных данных с экспериментальными. Выводы. Показано, что структура занятой части валентных полос изоморфнозамещенных апатитов кальция обоих типов сохраняет выраженный зонный характер с различной протяжностью отдельных подполос. Выявлены две раздельные по энергии структурные области – верхняя часть валентной полосы и нижняя часть валентной полосы – субвалентные состояния. Структура средней части валентной полосы (области валентных состояний с энергией от ~14 до 19 еВ) мало выражена. Основной вклад в формирование главных особенностей верхней части валентной полосы исследуемых апатитов вносят гибридизированные s-, p- и частично d-электронные состояния ионов кальция и фосфора. Структура субвалентных состояний определяется s-состояниями кислорода, фосфора и частично металла. Подрешетка кислородных тетраэдров является определяющей в формировании формы и главных особенностей кривой полной плотности электронных состояний изоморфнозамещенных апатитов кальция. В случае замещений В-типа происходит существенное пространственное искажение карбонатного иона.uk
dc.description.abstractukПроблематика. Включення йона CO32- у структуру апатиту призводить до помітних змін хімічних та фізичних характеристик мінералу. За наявності карбонатних іонів істотно знижується швидкість росту кристала гідроксоапатиту (ГАП), зменшується стійкість зубної емалі та кісток до кислот. У той же час концентрацією CO32- у кістковому апатиті контролюються форма та розмір нанокристалів цього мінералу, що є важливою умовою збереження нанорозмірних ефектів цих кристалів і, відповідно, відіграє важливу роль у процесах метаболізму в кістці. Мета дослідження. Теоретичне дослідження впливу включення йона CO32- у структуру апатиту на атомну структуру та електронну будову мінералу. Методика реалізації. Розрахунки в рамках теорії функціоналу щільності (DFT) у наближенні повнопотенціального методу (лінеаризованої) доповненої пласкої хвилі + локальні орбіталі ((linearized) augmented plane-wave + local orbitals, (L)APW) + lo) у рамках пакета Wien2k із використанням узагальненого градієнтного наближення Пердю—Бурке—Ернцергофа для твердих тіл (PBEsol-GGA). Результати дослідження. В рамках теорії функціоналу щільності (DFT) розраховано координати атомів, довжини зв’язків, повні та парціальні щільності електронних станів апатитів Са10(РO4)6(ОН)2, Са10(РO4)6СО3, Са10(РO4)6ОН(СО3)0.5, Са9(РO4)5(СО3)(ОН)2. Досліджено вплив ізоморфного заміщення типу А і В на електронну будову апатитоподібних сполук. Проаналізовано зміни в атомній структурі апатиту при включеннях у його структуру йонів CO32- у позицію як аніона, так і фосфатного тетраедра. Проведено зіставлення розрахункових даних з експериментальними. Висновки. Показано, що структура зайнятої частини валентних смуг ізоморфнозаміщених апатитів кальцію обох типів зберігає виражений зонний характер із різною протяжністю окремих підсмуг. Виявлено дві розділені за енергією структурні області — верхню частину валентної смуги та нижню частину валентної смуги субвалентні стани. Структура середньої частини валентної смуги (області валентних станів з енергією від ~14 до 19 еВ) мало виражена. Основний внесок у формування головних особливостей верхньої частини валентної смуги досліджуваних апатитів вносять гібридизовані s-, p- і частково d-електронні стани іонів кальцію та фосфору. Структура субвалентних станів визначається s-станами кисню, фосфору та частково металу. Підґратка кисневих тетраедрів є визначальною у формуванні форми та головних особливостей кривої повної густини електронних станів ізоморфнозаміщених апатитів кальцію. У випадку В-типу заміщень відбувається суттєве просторове спотворення карбонатного іона.uk
dc.identifier.citationКвантовомеханічні розрахунки атомної структури та електронної будови карбонатвмісних апатитів кальцію / А. О. Романський, Л. І. Карбівська, В. Л. Карбівський, О. Я. Кузнецова, В. В. Стоніс, А. П. Сорока // Наукові вісті КПІ : міжнародний науково-технічний журнал. – 2019. – № 1(123). – С. 35–43. – Бібліогр.: 35 назв.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/kpi-sn.2019.1.158692
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/39764
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/uk
dc.sourceНаукові вісті КПІ : міжнародний науково-технічний журнал, 2019, № 1(123)uk
dc.subjectапатит кальціюuk
dc.subjectізоморфне заміщенняuk
dc.subjectтеорія функціоналу щільностіuk
dc.subjectщільність електронних станівuk
dc.subjectкоординати атомівuk
dc.subjectдовжини зв’язківuk
dc.subjectcalcium apatiteuk
dc.subjectisomorphic substitutionuk
dc.subjectdensity functional theoryuk
dc.subjectdensity of electronic statesuk
dc.subjectatomic coordinatesuk
dc.subjectbond lengthsuk
dc.subjectапатит кальцияuk
dc.subjectизоморфное замещениеuk
dc.subjectтеория функционала плотностиuk
dc.subjectплотность электронных состоянийuk
dc.subjectкоординаты атомовuk
dc.subjectдлинны связейuk
dc.subject.udc538.915; 544.22uk
dc.titleКвантовомеханічні розрахунки атомної структури та електронної будови карбонатвмісних апатитів кальціюuk
dc.title.alternativeQuantum-Mechanical Calculations of the Carbonate-Containing Calcium Apatites Atomic and Electronic Structureuk
dc.title.alternativeКвантовомеханические расчеты атомной структуры и электронного строения карбонатсодержащих апатитов кальцияuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
NVKPI2019-1_04.pdf
Розмір:
446.21 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.01 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Наукові вісті КПІ: міжнародний науково-технічний журнал, № 1(123)