Mechanisms and energetics of calcium aluminosilicate glass dissolution through ab initio molecular dynamics-metadynamics simulations
Mechanisms and energetics of calcium aluminosilicate glass dissolution through ab initio molecular dynamics-metadynamics simulations
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通过从头算分子动力学-元动力学模拟研究铝硅酸钙玻璃溶解的机理和能量学
DOI：
10.1038/s41529-024-00445-x
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发表时间：
2024
影响因子：
5.1
通讯作者：
Ruiz Pestana, Luis
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Liu, Meili;Ruiz Pestana, Luis
硅酸盐玻璃的溶解对各个领域都有影响，从放射性废物的固定到波特兰水泥的可持续替代品的开发。在这里，我们使用偏向于良好的元动力学的从头算分子动力学模拟来研究铝硅酸钙玻璃中的 Si-O-T 桥解离，这对于理解其溶解至关重要。与传统的 Michalske-Freiman 模型不同，我们的研究结果揭示了一种亲核取代反应机制，其特征是短暂的、5 重配位的 Si 中间体或过渡态，取决于 Si 桥配位，具有近三角双锥几何形状。我们发现达到这种状态所需的重组导致活化能垒依赖于 Si 桥配位，其中 Si Q3 物种充当溶解反应中的限速步骤。我们的研究结果不仅挑战了长期存在的理论模型，而且为更准确和更全面的框架铺平了道路，以了解硅酸盐玻璃在各种应用中的溶解。
The dissolution of silicate glasses has implications in diverse fields ranging from the immobilization of radioactive waste to the development of sustainable alternatives to Portland cement. Here, we used ab initio molecular dynamics simulations biased with well-tempered metadynamics to study Si-O-T bridge dissociation in calcium aluminosilicate glasses, crucial for understanding their dissolution. In a departure from the conventional Michalske-Freiman model, our findings reveal a nucleophilic substitution reaction mechanism characterized by a short-lived, 5-fold coordinated Si intermediate or transition state, depending on the Si bridge coordination, with a near-trigonal bipyramidal geometry. We find that the reorganization required for reaching this state causes the activation energy barriers to be dependent on the Si bridge coordination, with Si Q3species serving as the rate-limiting step in the dissolution reaction. Our findings not only challenge long-standing theoretical models but also pave the way for more accurate and comprehensive frameworks for understanding the dissolution of silicate glasses in various applications.
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DOI：
10.1021/acs.jpcc.3c01123
发表时间：
2023-04
期刊：
The Journal of Physical Chemistry C
影响因子：
--
作者：
Luis Ruiz Pestana;Swathi Shantha Raju;Chaitanya Guntoorkar;P. Suraneni
通讯作者：
Luis Ruiz Pestana;Swathi Shantha Raju;Chaitanya Guntoorkar;P. Suraneni
从分子动力学洞察铝硅酸钙玻璃的化学结构关系
影响因子：
3.5
作者：
Liu, Meili;Panda, Subhashree;Suraneni, Prannoy;Ruiz Pestana, Luis
通讯作者：
Ruiz Pestana, Luis
影响因子：
3.9
作者：
J. Rimsza;Jincheng Du
通讯作者：
J. Rimsza;Jincheng Du
亲核取代反应机制：硅酸盐熔体中化学形态和输运特性的原子分子视角
影响因子：
3.9
作者：
H. Nesbitt;G. Bancroft;G. Henderson
通讯作者：
G. Henderson
使用从头计算和离子淌度质谱法分析糖肽离子的分子结构
DOI：
--
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
作者：
中村賀美;竹内孝江
通讯作者：
竹内孝江