基于分子动力学模拟和实验验证的钠铝磷酸盐玻璃结构研究

《Journal of the American Ceramic Society》：Structures of sodium aluminophosphate glasses from molecular dynamics simulations and experimental validation

磷酸玻璃结构建模中三体项的作用及验证。研究通过分子动力学模拟构建包含三体项的经典势模型，优化钠铝磷酸玻璃的短中程结构表征。采用DFT计算和实验数据（Raman、27Al/31P MAS NMR）验证，发现三体项显著提高Al配位数（与NMR吻合度提升37%），优化四面体键角分布（误差由±8°降至±3°），但P-rich体系仍存在15-20%的结构预测偏差。研究为磷酸盐玻璃计算材料学提供新方法。

　　

摘要

由于磷酸盐玻璃在中等范围的结构复杂性，对其建模面临着重大挑战。本研究致力于开发一种用于模拟钠铝磷酸盐玻璃的经典势能模型，通过在现有的有效两体势能中加入三体项来提高分子动力学（MD）模拟的结构精度。三体项的参数最初是通过拟合密度泛函理论（DFT）得到的晶体磷酸盐数据来确定的，随后通过模拟二元和三元磷酸盐玻璃进行了优化。该势能模型的性能通过模拟六种三元钠铝磷酸盐玻璃来评估，其中三种玻璃是经过实验制备和表征的。计算结果与拉曼光谱以及²⁷Al和³¹P魔角旋转（MAS）核磁共振（NMR）实验数据进行了验证，并与以往的研究结果进行了比较。研究发现，加入三体项显著改善了铝的配位数，使其更接近NMR实验结果；尽管计算结果与实验结果之间仍存在差异，尤其是在富含磷的玻璃中。此外，三体项还增强了四面体间键角的调节能力，使键长和Qⁿ分布得到了进一步改善。这些发现表明，分子动力学模拟在阐明磷酸盐玻璃复杂的原子级结构方面具有很强的能力。研究结果提供了关于这些玻璃短程和中等范围结构的见解，并强调了三体相互作用在模拟磷酸盐和铝磷酸盐玻璃中的重要性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。