Успех USPEX’a: ученые описали модель наночастиц оксида титана, единственную, из изученных на данный момент, для которой наблюдается явление антиферромагнетизма.
Международная группа ученых, в процессе исследования свойств кластеров оксида титана, обнаружила среди бескрайнего моря соединений вида Ti8On (n = 1-18) “островок стабильности” – Ti8O12. По результатам анализа модели было показано, что источником стабильности наночастицы является уникальная система химических связей. Один из авторов исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов, поясняет: “Мы изучали наночастицы оксидов титана, и одним из “островов стабильности” оказалась наночастица Ti8O12. Несмотря на высокую симметрию, структура этой наночастицы сильно отличалась от структур объемных оксидов титана. Далее, оказалось, что огромную роль играет магнетизм – без его учёта наночастица Ti8O12 нестабильна. Устойчивая наночастица оказалась антиферромагнитной, т.е. противоположно направленные магнитные моменты на соседних атомах титана компенсируют друг друга. В кристаллах антиферромагнетизм – обычное явление, но в наночастицах он обнаружен впервые.”
Авторы – Ю (Yu) (МФТИ(MITP), Цянь (Qian) (Университет Стони Брука (Stony Brook University), Попов и Болдырев (Государственный Университет Юты (Utah State University), – разделяют надежду на то, что работа вдохновит их коллег, и вскоре мы сможем увидеть эту удивительную частицу не только в рамках компьютерной модели, но и на экране мощного микро- (или нано-?) скопа.
Эволюционный алгоритм USPEX и подсчеты в рамках теории функционала плотности показали, что соединение имеет высокосимметричную геометрическую структуру: 8 атомов титана, формируют куб, содержащий возле середин ребер атомы кислорода.
Оксиды титана привлекли к себе интерес ученых и инженеров после того, как для наиболее изученного соединения TiO2 было показано явление фотоактивности – возникновение в материале зарядов под воздействием фотонов определенной частоты. Кластеры и их производные интересны тем, что не только применимы в производстве, но и способны ответить на фундаментальные вопросы научного сообщества. Так, например, оксихлорид титана представляет интерес для полупроводниковой промышленности и создателей современных систем фильтрации воды и воздуха. В то же время кластер Ti8O12H8 может быть использован в качестве идеальной модели для изучения трансформации метанола до формальдегида.
Здесь у исследователей возник вопрос: за счет чего освобожденному от атомов водорода “голому” кластеру Ti8O12 удается сохранять стабильность? Ранее авторам уже удавалось обнаружить необычные типы взаимодействия частиц внутри кластеров оксидов переходных металлов, но полученные данные об антиферромагнитных взаимодействиях на d-орбиталях “голого” оксида титана превзошли ожидания.
В ходе анализа стабильности кластеров на основе восьми атомов титана, с использованием базовых законов термодинамики (вычисление свободной энергии Гиббса, и свободной энергии Гельмгольца) было предварительно получено двенадцать стабильных кластеров: Ti8, Ti8O1, Ti8O2, Ti8O3, Ti8O5, Ti8O8, Ti8O10, Ti8O12, Ti8O13, Ti8O14, Ti8O16 и Ti8O17. Затем, в ходе рассмотрения термодинамических свойств модели, оценки энергий присоединения кислорода, основных состояний и геометрических структур в рамках всех предположений, выяснили, что “голый” кластер Ti8O12 обладает широким полем устойчивости и самой высокой симметрией.
Группа планирует продолжить исследования в этой области и также расширять возможности системы USPEX.
Ссылка на статью: http://dx.doi.org/10.1002/anie.201508439
***** Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственное научно-образовательное учреждение в Сколково (Россия, Московская область). Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (МТИ), институт готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, развивает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром в новом тысячелетии. Сколтех строит свою работу, опираясь на опыт лучших российских и международных образовательных и исследовательских институтов. При этом особый акцент делается на преподавание навыков предпринимательской и инновационной деятельности.
Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81
