ИСТИНА

В рамках атомистического подхода с использованием суперкомпьютерных технологий впервые применены усовершенствованные, а также оригинальные методы компьютерного моделирования для расчета равновесного габитуса кристаллов. На основе разработанной авторами методики «комбинированного» подхода к расчету теоретического габитуса, учитывающей как геометрические особенности структуры, так и величины поверхностной энергии граней,с применением современных атомистических методов компьютерного моделирования произведен расчет свойств кристаллических поверхностей и равновесной морфологии минералов группы корунда (корунд-эсколаит-гематит). Для проведения атомистических расчетов был выбран частично ионный потенциал межатомного взаимодействия. Данный набор позволил корректно описать структурные, упругие и термодинамические характеристики корунда Al2O3, эсколаита Cr2O3, гематита Fe2O3 и был успешно применен в (Eremin et al., 2008) для моделирования свойств смешения и локальной структуры твердого раствора (Al,Cr,Fe)2O3. Это дало основание использовать его и при анализе термодинамически равновесного габитусов полуторных оксидов и сравнения их с реальной огранкой природных образцов. Несмотря на сходство теоретически рассчитанных и природных кристаллов наблюдается изменение их морфологических рядов. Таким образом, очевидно, что в природных образцах большую роль играют именно примеси, именно они являются ответственными за окончательный внешний вид кристаллов. Из реконструкции равновесного габитуса кристаллов видно, что при расчетах поверхностной энергии, одним из определяющих факторов, влияющих на ее значение, является корректность задания модели потенциалов. Например, поверхностная энергия грани {110} кристалла корунда в зависимости от выбранной модели изменяется от 1 до 15%.

Применены усовершенствованные (в том числе оригинальные) методы компьютерного моделирования для расчета свойств кристаллических поверхностей и равновесной морфологии природных соединений. С применением разработанного авторами набора параметров потенциалов межатомного взаимодействия (Еремин, Громалова, Урусов, 2009) проведены расчеты величин поверхностной энергии граней (Eпов. грани) природных соединений на основе корунда. Результаты расчета поверхностных энергий различных граней природных соединений на основе корунда по данным настоящего исследования, а также их сопоставление с имеющейся экспериментальной и теоретической информацией приведены в таблицах результатов. После получения всех интересующих значений поверхностной энергии (Eпов), термодинамически-равновесный габитусный ряд для корунда выглядит как {012}‒ {001} ‒ {110} ‒ {223} ‒ {113} ‒ {101} ‒ {100}, габитусный ряд для гематита: {001} ‒ {110} ‒ {113} ‒ {223} ‒ {104} ‒ {212}, для эсколаита: {001} ‒ {110} ‒ {223} ‒ {101} ‒ {100}. С применением оригинальной методики «комбинированного» подхода рассчитан теоретический равновесный габитус кристаллов корунда, эсколаита, учитывающий как геометрические особенности структуры, так и межатомные взаимодействия. Полученные в результате атомистического моделирования равновесные габитусы кристаллов в сравнении с огранкой природных кристаллов из (Минералы, 1972), другими экспериментальными данными (Choi et al.,1997; Kitayama, Glaeser, 2002), а также результатами других атомистических расчетов (ионно-оболочечная модель) (De Leeuw, Parker, 1999) и ab-initio расчетов в LDA (Manassidis, Gillian, 1994) и GGA (Marmier, Parker, 2004) приближении представлены в отчете. Основное различие между природными и рассчитанными кристаллами состоит в оценке поверхностной энергии грани {101} (при этом нужно отметить, что Еотн.= Eпов./E001 наиболее близко к экспериментальной при выбранной в настоящей работе модели потенциалов). Сравнение равновесных габитусов эсколаита и гематита с их природными аналогами (Минералы, 1972) и теоретически рассчитанными кристаллами по (Lawrence, Parker, 1988; De Leeuw et al.,1999) представлены в отчете. Как видно из рисунков, поверхностная энергия является исключительно чувствительным параметром для оценки равновесного габитуса кристалла, и даже ее малое изменение существенно изменяет его облик. Тем не менее, морфологическая значимость грани {001} практически одинакова для природного (Минералы, 1972) и теоретического (настоящая работа) корунда и эсколаита. Облик и габитус равновесного кристалла эсколаита близок к его природному аналогу. Однако, несмотря на тенденции сходства морфологии природных и теоретически рассчитанных кристаллов, проведенный анализ габитусов показал, что в ряду изученных кристаллов морфологически происходит его изменение от природного кристалла к кристаллу теоретическому. Так, грань {110}, морфологически более значима для кристаллов природного (Минералы, 1972) эсколаита и корунда, в отличие от всех теоретически рассчитанных образцов. В свою очередь, появление различных морфологических типов кристаллов обусловлено наличием элементов-примесей, входящих в него. Так, небольшие добавки элементов-примесей могут существенно влиять на поверхностную энергию граней кристаллов, внешний облик кристаллов и изменять его морфологические особенности. Например, Еотн. поверхности {101} природного кристалла корунда изменяется примерно на 8% по сравнению с теоретически рассчитанным беспримесным индивидом. Таким образом, очевидно, что в природных образцах большую роль играют именно примеси. Как было показано в наших предыдущих исследованиях (Громалова, Урусов, 2011; Громалова, 2012), именно они являются ответственными за окончательный внешний вид кристаллов. Из реконструкции равновесного габитуса кристаллов (рис. 2) видно, что при расчетах поверхностной энергии Епов. (например, кристаллов эсколаита), одним из определяющих факторов, влияющих на ее значение, является и выбор модели потенциалов. Так, для грани {110} эсколаита значение Епов. меняется, и составляет при выборе частично ковалентного потенциала (настоящая работа) ‒ 1.46 Дж/моль2, а в случае ионно-оболочечной модели (Lawrence, Parker, 1988) ‒ 1.90 Дж/моль2 (при использовании эмпирического потенциала) и 2.35 Дж/моль2 (при использовании неэмпирического потенциала) (De Leew et al.,1999). Аналогичная ситуация имеет место при расчете поверхностной энергии граней корунда. Например, величина Еотн. грани {110} кристалла корунда в зависимости от выбранной модели потенциалов изменяется от 1 до 15%.