Строительные исследования
страница - 0
Компьютерное моделирование атомной структуры углеродной составляющей шунгита различных
месторождений.
Кучер Е.В, Фофанов А.Д.( afofanov@psu.karelia.ru ), Никитина Е.А. Петрозаводский Государственный университет
Природное углеродистое вещество занимает особое место в ряду минералоидов вследствие его большого значения в эволюции биосферы, широкого разнообразия структуры и свойств и интенсивного практического использования. Одним из наиболее необычных минералоидов по генезису, структурному состоянию, свойствам и запасам свободного углерода являются шунгитовые породы (ШП) Карелии [1]. Интерес к ШП закономерен, поскольку они обладают уникальным комплексом физико-химических и механических свойств, обусловивших их многоцелевое использование [2]. Но, несмотря на сравнительно неплохую изученность ШП, структура шунгита до конца не изучена, их место в ряду минералоидов и существующие классификации остаются дискуссионными. Структурные представления о шунгите противоречивы. Он может представлять собой: мелкодисперсный графит [3]; неграфитируемое углеродистое вещество [4]; глобулярный углерод, состоящий из изогнутых графитоподобных слоев, охватывающих поры [5, 6]. Кроме того, ранее известно, интерференционная картина, возникающая при рассеянии рентгеновских лучей углеродной составляющей шунгита, качественно достаточно хорошо описывается в рамках турбостратной модели, т.е. модели случайно смещенных графитоподобных сеток, но с увеличенным до 3.5А межсеточным расстоянием , которое существенно отличается от соответствующего расстояния в графите, равного 3.35А и среднеквадратичным смещением сеток друг относительно друга, равным 0.45А.[7-8]. Возможными причинами увеличения межсеточного расстояния могут быть, во-первых, расположение центров атомов сетки не в плоскости, а в некотором плоском (в среднем) слое конечной толщины («гофрированная сетка»), и во-вторых, кривизна слоев, которая согласно модели В.В. Ковалевского [5], может иметь место в шунгитах.
Различие физических свойств шунгитов разных месторождений обусловлено вариацией их атомного строения.
В работе [9] показано, что компьютерное моделирование позволяет воссоздать атомную структуру углеродных материалов, состоящих из графитоподобных сеток, в том числе шунгитов используя данные рентгенографического эксперимента.
Поэтому целью данной работы было: сравнительный анализ атомной структуры углеродной составляющей шунгитов различных месторождений с использованием методов компьютерного моделирования.
В работе исследовались образцы шунгитов месторождения Максово и Шуньга. Экспериментальная информация об атомной структуре шунгитового вещества получалась из данных по дифракции рентгеновских лучей. Для получения рентгенограмм использовались образцы шунгитов в виде порошков. Порошки аккуратно прессовали в кювете (толщиной 3-5 мм), где связывающим веществом служил спирт. При этом выполнялось необходимое условие при подготовке образца к эксперименту - это отсутствие преимущественной ориентации в расположении частиц порошка. Было проведено ретнгенографирование на автоматическом дифрактометре ДРОН - 4.07 в монохроматизированном отраженном пучках Cu-Ка рентгеновском излучении ( длина волныв геометрии на отражение. Интенсивность
рассеяния измерялась в интервале углов 29 от 3 до 140° с шагом 0,2° и временем экспозиции 20 секунд. В качестве кристалла-монохроматора использовался пиролитический графит (d = 3,345А).
Обработка экспериментальных кривых распределения интенсивности проводилась по стандартной для аморфных материалов методике [10]. Из кривых распределения интенсивности рассеяния рассчитывались интерференционные функции рассеяния H(s) и кривые распределения парных функций D(r), характеризующие радиальное распределение электронной плотности.
Компьютерное моделирование атомной структуры шунгита месторождения Шуньга и Максово, было проведено путем построения сеток из гексагональных колец и пакетов из сеток. Алгоритм позволял реализовать два режима работы: построение плоских сеток; построение изогнутых графитоподобных сеток.[11]. Расстояния, которые использовались при построении сеток, строго соответствовали межатомным расстояниям в графите в первых трех координационных сферах:1,42А, 2,4бА, 2,84А, и дисперсии этих расстояний были порядка 10-6А. Основными варьируемыми параметрами при построении графитоподобных сеток являлись: число атомов в сетке, количество дефектов в сетке (вакансий), а также дисперсии случайных смещений атомов из положения равновесия. Формирование пакетов из графитоподобных сеток осуществлялось с помощью задания основных параметров: числа сеток в пакете; межсеточного расстояния; величины смещений сеток вдоль координатных осей x,y; среднего угла разворота сеток; дисперсии этого угла. Для сформированных таким образом кластеров, рассчитывались кривые распределения интенсивности рассеяния, интерференционные функции рассеяния H(s) (где s - модуль дифракционного вектора), кривые распределения парных функций, которые сопоставлялись в дальнейшем с кривыми, полученными в дифракционном эксперименте. Исследование данной структурной модели заключается в определении влияния каждого из структурных параметров на вид и особенности модельных кривых [11].
В результате проведенного компьютерного моделирования были получены плоские и изогнутые графитоподобные сетки, состоящие из разного количества атомов. Кластеры атомов углерода, построенные в режиме формирования плоской и изогнутой сетки, показаны на рис.1
На рис.2 приведены кривые H(s), рассчитанные для графитоподобных сеток, состоящих из различного числа атомов. Интерференционные функции рассеяния схожи по положениям максимумов, но отличаются их высотой и шириной. Различие в высоте пиков и ширине обуславливается влиянием числа атомов в сетках. Видно, что с увеличением числа атомов в сетке, пики становятся уже, начинает четко прорисовываться максимум, находящийся в области от 5.5<s<6.5A-1 , уменьшается размытость пиков и происходит смещение их в сторону больших значений s, происходит увеличение высоты пиков .
4
Рис.2 Интерференционные функции рассеяния H(s), рассчитанные для графитоподобных сеток, состоящих из разного количества атомов.
Для анализа влияния смещения атомов из положения равновесия в графитоподобных сетках на вид модельной интерференционной функции H(s), были сформированы сетки с разными значениями дисперсий случайных смещений атомов в плоскости сетки и перпендикулярно к ней (ось z декартовой системы координат перпендикулярна, а оси x иу лежат в плоскости сетки).
На рис.3 кривые (1) и (2) сливаются между собой и практически не различимы. Кривая (3) в целом расположена ближе к экспериментальной кривой (4) и в области пиков и в области фона. Сопоставление экспериментальной и модельных кривых показывает, что 2-й, 4-й, 5-й максимумы на кривой интерференционной функции (4) для шунгита обусловлены внутрисеточными интерференционными эффектами, отсутствующие 1-й и 3-й максимумы на модельных кривых, соответствуют межсеточным интерференционным эффектам.
Из рис.3 видно, что наилучшее согласие с экспериментальной кривой H(s) для шунгита было получено для графитоподобной сетки с учетом ее искаженности т.е. независимыми смещениями атомов из положения равновесия вдоль направления осей декартовой системы координат c заданной дисперсией 0.1 А. При большом смещении атомов от положения равновесия (0.1 А) 2-ой, 4-ый, 5-ый максимумы опускаются, что приводит к почти точному совпадению теоретической и экспериментальной кривой.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2]