|
|
|
Основные направления научной деятельности:
Основными направлениями исследований коллектива с 1996 года являются зкспериментальное ( с использованием различных современных струкутрных методов) и теоретическое (с использованием современных компьютерных программ и оригинальных методик) моделирование структуры и свойств минералов и их изоморфных смесей.
Состав научной группы:
Вверх, к главному меню
Важнейшие результаты, полученные коллективом в 2012 г.
Радиационная устойчивость циркона (ZrSiO4) подвергнута сравнительному испытанию с помощью методов компьютерного моделирования для четырех различных наборов параметров межатомных потенциалов. В приближении изолированных дефектов методом Мотта-Литтлтона рассчитаны энергии френкелевских пар (ФП) для атомов Zr, Si и O. Разница между энергиями ФП, рассчитанными для четырех потенциалов, и энергиями ФП, полученными из первых принципов (ab initio), меньше всего для того из 4-х потенциалов, который учитывает данные ab initio 'Zirсon3'. Методом молекулярной динамики изучено формирование в цирконе каскада смещенных атомов (КСА) после прохождения первично выбитого атома тория с энергией 20 кэВ. Количество ФП в КСА достигает значений от 5300 до 61900 в зависимости от выбора потенциала. Количество ФП в конце моделирования составляет от 480 до 4970. Проанализировано распределение межузельных атомов кислорода в цирконе.
Радиационная устойчивость ксенотима YPO4 изучена методами компьютерного моделирования. Описаны критерии выбора параметров межатомных потенциалов для моделирования ?-распада в минералах. Методом молекулярной динамики вычислена кинетика накопления и аннигиляции френкелевских пар в каскаде смещений после прохождения в структуре ксенотима первично-выбитого атома тория с энергией 20 кэВ. На первоначальном этапе формирования каскада смещений (баллистический этап, t = 0?0,1 пс) движение первично-выбитого атома приводит к его соударению с другими атомами системы. Эти атомы смещаются со своих положений равновесия, начинают движение, и в свою очередь смещают другие атомы. После времени t = 0,1 пс атомы с энергией выше средней не смещают отдельные атомы, а рассеивают свою энергию по всему каскаду смещений. Это приводит к смещению большого количества тетраэдров PO4 в структуре ксенотима, поскольку атомы в тетраэдрах связаны друг с другом значительно сильнее, чем с другими атомами.
После формирования каскада смещений (t = 0,82 пс) начинается 'восстановление' структуры - часть смещенных атомов возвращается в свои позиции или эквивалентные кристаллографические позиции. Вероятность выживания френкелевских пар увеличивается с расстоянием между вакансией и смещенным атомом. Рассмотрены особенности формирования и отжига изолированных дефектов в структуре ксенотима с помощью метода Мотта-Литтлтона. В рамках приближения сверхъячейки была изучена зависимость энергии френкелевских пар и вероятности их аннигиляции на протяжении отжига каскада смещения от расстояния между вакансией и междоузлием.
Изучены механизмы формирования каскада смещенных атомов (КСА) в структуре перовскита CaZrO3 под действием ядра отдачи, возникающего в результате a-распада. В качестве ядра отдачи для нанофрагмента CaZrO3 (с размерами 310х290х315 A), который содержит около 1,4 млн. атомов, использовался выбитый атом тория (аналог атома отдачи) с энергией 20 кэВ. В качестве программы по МД моделированию был выбран программный комплекс DL_POLY [Todorov, Smith 2004]. Для изучения поведения френкелевских пар (ФП) в процессе радиационного разупорядочения изучаемой структуры была рассчитана энергия их образования с помощью классической модели 'вложенных сфер' Мотта-Литтлтона. На основе этих результатов оценен параметр ?, характеризующий часть энергии выбитого атома, которая расходуется на формирование ФП в КСА. Вычисление для изучаемой структуры дает значение ? = 0,17. Это значение намного ниже, чем в случае структуры циркона (? составляет 0,68). Это также указывает на то, что CaZrO3 обладает высокой радиационной устойчивостью (как и ряд других координационных структур) и может использоваться в качестве матрицы для утилизации высокоактивных радиоактивных отходов.
Опубликована монография 'Атомистическое компьютерное моделирование структуры и свойств неорганических кристаллов и минералов, их дефектов и твердых растворов'. В книге излагается современное состояние нового научного направления - компьютерного моделирования структуры и свойств неорганических кристаллов (минералов), основанное в значительной степени на последних разработках участников проекта. Приведены подробные сведения о физических основах и методологии атомистического (полуэмпирического) варианта компьютерного моделирования, как в чисто ионном, так и в частично ковалентном приближениях. В частности, подробно обоснован предложенный авторами способ учета энергии переноса заряда и получения минимума энергии сцепления (энергии атомизации) в последнем, более точном, приближении. Даны сводки используемьх в настоящее время форм потенциалов межатомного взаимодействия и приведены сводные таблицы известных и рекомендуемых параметров таких потенциалов. Приводятся многочисленные примеры конкретных расчетов кристаллических структур и свойств (упругих, термодинамических и в ряде случаев -диэлектрических) кристаллов из разных классов неорганических солей и минералов - галогенидов, оксидов, силикатов, фосфатов и др. Отдельно исследуется вопрос о расчетах энергий образования точечных дефектов кристаллов - примесей, вакансий и внедрений. Детально рассмотрена проблема расчета свойств смешения твердых растворов методом построения сверхячеек и даны примеры таких вычислений с анализом локальной структуры смесей разного состава и расчетом параметров релаксации структуры. Последние достижения метода в проблеме расчета энергий поверхности граней кристалла и предсказания его устойчивого габитуса также охарактеризованы на отдельных примерах и намечены перспективы развития этого новейшего направления применений метода атомистического моделирования.
Авторский пакет компьютерных программ ОDSS, созданный в 2008 году претерпел в существенную модернизацию, направленную на повышение быстродействия и числа атомов в изучаемой системе. На настоящий момент пакет состоит из четырех программ (Binar, Relax, Gistogramma и Volume). Оригинальный авторский подход, реализованный в программе Binar, позволяет в рамках ячейки разумных конечных размеров максимально приблизиться к статистически неупорядоченному распределению в макроскопическом кристалле, а также дает возможность в дальнейших расчетах обойтись одной оптимальной (репрезентативной) атомной конфигурацией с наименьшей величиной отклонения от статистического распределения в макроскопическом кристалле (?2), что немаловажно для минимизации компьютерного времени. Программа генерирует неупорядоченные сверхячейки для последующих расчетов свойств смешения и локальной структуры твердых растворов замещения, написана на алгоритмическом языке FORTRAN и ориентирована на программный комплекс GULP или подобный ему. Программа Gistogramma позволяет провести анализ конечного (после энергетической оптимизации) расположения атомов внутри большой по размерам сверхячейки и построить гистограммы межатомных расстояний с целью дальнейшего изучения локальной структуры твердого раствора и степени релаксации атомных позиций. Программа существует в двух вариантах, позволяющих проводить как стандартный анализ межатомных расстояний, так и углубленный, который предполагает дополнительный статистический анализ отдельных выделенных пиков. Второй вариант может быть использован в том случае, когда спектр межатомных расстояний распадается на хорошо разрешимые области от определенных расстояний. Практическая оценка сдвигаемостей атомов и податливостей позиций в сверхячейке осуществляется в программе Relax. Программа Volume осуществляет геометрический анализ (включая расчет объемов) полиэдров, заданных своими конечными координатами после энергетической оптимизации. Отметим, что полные описания всех четырех программ, входящих в пакет ODSS, примеры входных и выходных файлов, актуальные версии выполняемых файлов доступны по интернет-адресу http://cryst.geol.msu.ru/odss/. Программы были протестированы на ряде изоморфных систем и показали высокую результативность предложенных подходов.
Оригинальная методика атомистического компьютерного моделирования твердых растворов замещения была применена для изучения локальной структуры в изоморфной системе гранатов гроссуляр Са3Al2(SiO4)3 - уваровит Са3Cr2(SiO4)3. Параметры межатомных потенциалов для крайних членов ряда были оптимизированы с использованием экспериментальных данных о структурных, упругих и термодинамических характеристиках этих минералов. Оптимизированная модель потенциалов позволила корректно описать упругие, структурные и термодинамические характеристики гроссуляра и уваровита, а также оценить энергетику точечных дефектов в этих кристаллических структурах. Расчеты свойств смешения и локальной структуры для семи различных составов твердого раствора проводились на суперкомпьютере СКИФ 'Чебышев' МГУ в сверхячейке 2?2?4 структурного типа граната, содержащей 2560 атомов. Были определены такие свойства смешения, как энтальпия смешения, параметры взаимодействия, избыточный объем смешения, отклонения модулей сжатия от аддитивности, колебательный и конфигурационный вклад в энтропию смешения. Это позволило оценить область стабильности твердого раствора гроссуляр-уваровит. Были построены гистограммы межатомных расстояний М-O и O-O в сверхячейке и оценены значения параметров релаксации октаэдров CrO6 и AlO6 как 0.86 и 0.83, соответственно. Показано, что они практически не зависят от состава твердого раствора, что хорошо согласуется с имеющейся экспериментальной информацией по этой системе и существенно дополняют ее.
Проведено атомистическое моделирование свойств смешения и анализ локальной структуры бинарных твердых растворов (Ca10-хSrx)[PO4]6F2 c учетом различного распределения катионов Sr по позициям M1 и М2. Моделирование проводилось для сверхъячейки 4х4х4 (2688 атомов) со снятой нетрансляционной симметрией. Показано, что вхождение Sr в семивершинник (позиция М2) понижает энтальпию смешения твердого раствора. Полученное теоретическое распределение Sr по катионным позициям M1 и М2 согласуется с экспериментальными данными. На первый взгляд нелогичное предпочтительное вхождение Sr в более мелкую позицию М2 объясняется наличием там F в качестве лиганда, который меняет локальный баланс валентных усилий. Для чистых составов Ca10[PO4]6F2 и Sr10[PO4]6F2 рассчитанная сумма валентных усилий для катионов Sr и Са в соответствующих позициях практически не отличается. Однако в твердом растворе сумма валентных усилий Sr заметно выше, чем Са. Sr в позиции М1, окруженный девятью атомами кислорода, имеет сильно завышенную сумму валентных усилий по сравнению с формальным зарядом 2. Наличие сильно электроотрицательного атома фтора в качестве лиганда катиона в позиции М2 обеспечивает для Sr2 сумму валентных усилий, близкую к 2, несмотря на координационное число 7. Таким образом, особенности валентного взаимодействия Sr с первой координационной сферой обуславливают более предпочтительное вхождение крупного Sr в более мелкую позицию М2. Для проведения детального анализа локальной структуры была выбрана серия составов, отвечающая экспериментальному распределению Sr по катионным позициям в апатите. Для изучения локальной структуры были построены гистограммы распределения межатомных расстояний M1-O, M2-O, M2-F и гистограммы распределения объемов координационных полиэдров М1 и М2 в твердых растворах с четырьмя различными суммарными содержаниями Sr (0,2; 0,4; 0,6; 0,8). Поскольку Sr является более крупным катионом, чем Са, ожидалось увеличение средних длин связей анионов с Са и уменьшение со Sr. Однако для всего диапазона составов была выявлена тенденция к увеличению среднего расстояния Sr-F в координационном полиэдре М2 по сравнению с чистым Sr составом. При построении гистограмм распределения объемов координационных полиэдров не было выявлено никаких аномалий. Следовательно, такое аномальное изменение межатомных расстояний Sr-F определяется тенденцией к сохранению линейной зависимости среднего объема координационного полиэдра от состава твердого раствора.
Впервые создана универсальная модель потенциалов межатомного взаимодействия, которая смогла достаточно корректно воспроизвести разнообразные кристаллические структуры боратов, содержащих сложные борокислородные радикалы, содержащие и тетраэдры и треугольники одновременно. Модель протестирована на гипотетической структуре Са-пентабората группы витчита состава Са2[В5О8(ОН)]22H2O.
Вверх, к главному меню
Основные публикации 2012 г.
Урусов В.С., Еремин Н.Н. Атомистическое компьютерное моделирование структуры и свойств неорганических кристаллов и минералов, их дефектов и твердых растворов //
ГЕОС Москва, ISBN 978-5-89118-581-0, 448 стр.
Urusov V.S., Grechanovsky A.E., Eremin N.N. Mechanisms of Radiation Damage of Zircons Deduced from Computer Simulation // Geology of Ore Deposits, том 54, ? 5, с. 398-409. Урусов В.С., Гречановский А.Е., Еремин Н.Н. Механизмы радиационного разрушения циркона по данным компьютерного моделирования // Геология рудных месторождений, том 54, ? 5, с. 472-484.
Gromalova N.A., Eremin N.N., Dorokhova G.I., Urusov V.S. Morphology of synthetic chrysoberyl and alexandrite crystals: Analysis of experimental data and theoretical modeling // Crystallography Reports, том 57, ? 4, с. 609-615.
Громалова Н.А., Еремин Н.Н., Дорохова Г.И., Урусов В.С. Морфология синтетических кристаллов хризоберилла и александрита: анализ экспериментальных данных и теоретическое моделирование // Кристаллография, том 57, ? 4, с. 679-686.
Urusov V.S., Grechanovsky A.E., Eremin N.N. Radiation Resistance of the Xenotime YPO4 from the Computer Simulation Data // Glass Physics and Chemistry, том 38, ? 1, с. 55-62. Урусов В.С., Гречановский А.Е., Еремин Н.Н. Радиационная устойчивость ксенотима YPO4 по данным компьютерного моделирования // Физика и химия стекла, том 38, ? 1, с. 76-85.
Theoretical study of thermodynamic mixing properties of (Ca,Sr)10(PO4)6F2 solid solution Goryaeva A.M., Urusov V.S., Eremin N.N. // Eur. Miner. Conf, том 1, с. 749-750.
Еремин Н.Н., Гречановский А.Е., Талис Р.А., Урусов В.С. Практическая реализация современных методов компьютерного моделирования твердых растворов минералов // Cборник научных статей VII Международной заочной научно-практической конференции 'Теория и практика современной науки', серия выпуск7, том 1, с. 70-80, Изд-во 'Спецкнига', 2012 Москва.
Ямнова Н.А., Аксенов С.М., Еремин Н.Н. Кристаллическая структура Ca2[В5О8(ОН)]2 [B(OH)3] H2O и ее место в политипной серии пентаборатов группы витчита // IV-Всероссийская молодежная научная конференция "Минералы: строение, свойства, методы исследования". Екатеринбург, 2012, ISBN 978-5-94332-100-9, Сборник тезисов, с. 285-287.
Еремин Н.Н., Протасов Н.М. Локальная структура перовскитов ABO3 (A=Ca; B=Zr, Ti, Sn) по данным атомистических суперкомпьютерных расчетов // IV-Всероссийская молодежная научная конференция "Минералы: строение, свойства, методы исследования". Екатеринбург, 2012, ISBN 978-5-94332-100-9, Сборник тезисов, с. 215-216.
Еремин Н.Н. Методы кристаллохимического прогноза: путь от статистических подходов до USPEХ-а // IV-Всероссийская молодежная научная конференция "Минералы: строение, свойства, методы исследования". Екатеринбург, 2012, ISBN 978-5-94332-100-9, Сборник тезисов, с. 24-26.
Смирнова М.Д., Еремин Н.Н., Ямнова Н.А., Аксенов С.М. Разработка модели межатомных потенциалов для структурного моделирования боратов // Материалы международной молодежной школы 'компьютерное моделирование новых материалов', ISBN 978-5-87623-658-6, МиСиС- 2012, Москва Сборник тезисов, том 1, с. 36-37
Еремин Н.Н., Смирнова М.Д., Ямнова Н.А., Аксенов С.М. Разработка универсальной модели межатомных потенциалов для боратов и моделирование кристаллической структуры Са2[В5О8(ОН)]22H2O // IV-Всероссийская молодежная научная конференция "Минералы: строение, свойства, методы исследования". Екатеринбург, 2012, ISBN 978-5-94332-100-9, Сборник тезисов, с. 134-136.
Талис Р.А., Марченко Е.И., Еремин Н.Н. Суперкомпьютерный расчет локальной структуры твердого раствора гранатов изоморфного ряда гроссуляр-уваровит // Материалы международной молодежной школы 'компьютерное моделирование новых материалов', ISBN 978-5-87623-658-6, МиСиС- 2012, Москва Сборник тезисов, том 1, с. 22-23.
Талис Р.А., Марченко Е.И., Еремин Н.Н. Уточнение локальной структуры в системе корунд-эсколаит с помощью атомистических суперкомпьютерных расчетов // IV-Всероссийская молодежная научная конференция "Минералы: строение, свойства, методы исследования". Екатеринбург, 2012, ISBN 978-5-94332-100-9, Сборник тезисов, с. 239-240.
Вверх, к главному меню
Международное сотрудничество
Computational Solid State Chemistry Group University of Bath В ноябре 2008 г. научную школу посетил профессор университета Бат Паркер Стивен Чарльз, который является ведущим специалистом в методологии атомистического моделирования структуры и свойств поверхностей кристаллов, разработчиком современного программного обеспечения структурного моделирования дефектов и поверхностей. В результате визита были проведены совместные расчеты поверхностных свойств ряда оксидных и карбонатных минеральных систем, адаптация оригинальное ПО (METADISE) было адаптировано к компьютерам кафедры кристаллографии и кристаллохимии геологического факультета МГУ, было проведено обучение членов научной школы по работе с программой. Во время визита было проведено 3 совместных семинара, посвященные актуальным проблемам современной математической кристаллохимии и ее предсказательным возможностям.
Кафедра кристаллографии университета Франкфурта-на-Майне В июне-сентябре 2009 г. научную группу посетили профессора университета Франкфурт В.Виноград и Б.Винклер. В результате визита были проведены совместные семинары, посвященные современному состоянию теоретического моделирования твердых растворов замещения методами Монте-Карло и атомистического моделирования. Члены научной группы являются лекторами и слушателями ежегодного семинара, проводимого на базе Франкфуртского университета
'From atomistic calculations to thermodynamic modelling'.
Prof Oganov A.R. выпускник научной группы, создатель пакета программ USPEX, в настоящее время профессор университета Стони-Брук (США).
Вверх, к главному меню
Реализация и внедрение результатов разработок коллектива
BONDVAL (Урусов В.С., Орлов И.П.)
ODSS (Еремин Н.Н., Урусов В.С.,Деянов Р.З.)
VALUES (Еремин Н.Н., Урусов В.С.,Оболенский О.В.)
Вверх, к главному меню
Научные премии, полученные в коллективе
Премия им. А.Е.Ферсмана АН СССР - Урусов В.С. (1991)
Государственная премия РФ в области науки и техники -Урусов В.С. (2001)
Премия им. Е.С.Федорова РАН за выдающиеся работы в области кристаллографии - Урусов В.С. (2006 г.)
Вверх, к главному меню
|
|
