Att undersöka den mikroskopiska diffusionsmekanismen för protoner och natriumjoner i fosfatglas via simulering av molekylär dynamik med första principer indikerar nyckelrollen för morfologin hos fosfatnätverksstrukturen för diffusion av joner. Kredit:Tomoyuki Tamura / Nagoya Institute of Technology
Fosfatglas är en mångsidig förening som har skapat intresse för dess användning i bränsleceller och som biomaterial för att tillföra terapeutiska joner. P 2 O 5 -föreningen som bildar fosfatglasets strukturella nätverk - består av fosfor, ett element som kan anta många olika bindningskonfigurationer i kombination med syre.
De fysikalisk-kemiska egenskaper som är avgörande för den verkliga tillämpbarheten av fosfatglas - till exempel, hydreringsreaktionen som dikterar hur snabbt ett fosfatglasbaserat biomaterial kommer att lösas upp inuti kroppen – beror på diffusionen av joner in i glaset. Således, att förbättra de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos fosfatglas, det är viktigt att förstå sambandet mellan strukturen och jondiffusion. Dock, att studera sådana interaktioner på atomnivå är extremt svårt, få forskare att söka efter ett lämpligt tillvägagångssätt för att belysa detaljerna i jondiffusionsprocessen.
Nyligen, ett team av forskare från Nagoya Institute of Technology, Japan, ledd av Dr. Tomoyuki Tamura, har teoretiskt dechiffrerat jondiiffusionsmekanismen som är involverad i hydratiseringsreaktionsprocessen för fosfatglas. Deras studie har publicerats i Fysikalisk kemi Kemisk fysik tidning.
I fullt ansluten P 2 O 5 -baserat fosfatglas, tre av syreatomerna i varje fosfatenhet är bundna till angränsande fosforatomer. För att studera dynamiken hos joner i fosfatglaset under hydratiseringsprocessen, forskarna använde en modell gjord av fosfater med QP 2 och QP 3 morfologier, som innehåller två och tre överbryggande syre per PO 4 tetraeder, respektive, tillsammans med sex koordinerade kiselstrukturer.
Forskarna implementerade en teoretisk beräkningsmetod känd som "first-principles molecular dynamic (MD) simulation" för att undersöka diffusionen av proton- och natriumjoner in i glaset. Förklara skälen till deras okonventionella tillvägagångssätt, Dr Tamura säger, "Första principer MD-simulering gjorde det möjligt för oss att anta det inledande skedet av vatten som infiltrerar och diffunderar in i silikofosfatglas och belyser diffusionen av protoner och oorganiska joner för första gången."
Baserat på deras observation, forskarna föreslog en mekanism där protonerna "hoppar" och adsorberas på den icke-överbryggande syreatomen eller "dinglande" syreatomen i närliggande fosfater genom vätebindningar. Dock, i fosfatglasmodellen de använde, QP 2 fosfatenheter bidrog starkare till diffusionen av protoner än QP 3 fosfatenheter. Således, de fann att morfologin hos fosfatnätverkets struktur, eller "skelettet" av glaset, påverkar i hög grad diffusionen av joner. De märkte också att när en natriumjon fanns i närheten, adsorptionen av en proton på en QP 2 fosfatenhet försvagade den elektrostatiska interaktionen mellan natrium- och syrejoner, inducerar kedjediffusion av natriumjoner.
Efterfrågan på nya biomaterial för effektiv förebyggande och behandling ökar, och fosfatglas är väl rustade att uppfylla detta växande behov. En stor del av befolkningen, som omfattar både äldre och yngre personer, lider av sjukdomar relaterade till ben- och muskelsvagheter. Som Dr Tamura antar, "Vattenlösligt silikofosfatglas är en lovande kandidat för att leverera läkemedel eller oorganiska joner som främjar vävnadsregenerering, och vår studie tar forskningen inom glasteknologi ett steg närmare mot att förverkliga målet."
Således, forskarnas nya insikter kommer säkert att ha djupgående verkliga effekter och leda till genombrott inom forskningen om bränsleceller och bioresorberbara material.
