ПЕРШОПРИНЦИПНІ РОЗРАХУНКИ ЕЛЕКТРОННОЇ БУДОВИ І АТОМНОЇ АРХІТЕКТУРИ ВАНАДАТНИХ АПАТИТІВ КАЛЬЦІЮ ТА КАДМІЮ - Сорока, А. П.; Касіяненко, В. Х.; Сухенко, І. В.; Карбівська, Л. І.; Карбівський, В. Л.; Соболєв, О. І. (Вісник Вінницького політехнічного інституту, 2024)
З перших принципів у рамках теорії функціоналу електронної густини методом повнопотенційного повноелектронного ППВ з набором базисних функцій ППВ + ло (APW + lo) розрахована електронна структура апатитного ряду Me10(VO4)6X2, де Ме = Са та Cd, а X = F, Cl, OH. Для обмінно-кореляційної частини потенціалу використовувався метод узагальненого градієнтного наближення (GGA) PBE (Perdew, Burke, Ernzerhof) як найпоширенішого GGA-функціоналу. Проведено дослідження збіжності результатів розрахунків щодо k-сіток для структурної релаксації і підсумовано, що необхідно використовувати 2–2–3 Монкхорст-Пек k-сітку з центром у точці Γ. Релаксація атомних позицій сполук Ме10(VO4)6X2 (Ме = Са і Cd, X = F, Cl, OH) виконувалася в рамках просторової групи P63/m, а сполук Ca10(VO4)6(OH)2 та Cd10(VO4)6(OH)2 у рамках групи P63. Таке зниження симетрії гідроксіапатитів у порівнянні з хлор-, фторапатитами викликане наявністю двох додаткових атомів водню на осі С. Це викликає порушення симетрії щодо дзеркальних площин, перпендикулярних до осі, що проходить через точки (0, 0, 0,25) і (0, 0, 0,75). Для з’ясування характеру хімічного зв’язку проведено аналіз Бадера. Встановлено ефекти еволюції електронної енергетичної структури валентних зон та заборонених зон для апатитів зазначеного ряду. Розраховано параметри елементарних комірок апатитів зазначеного ряду. Встановлено, що «приферміївська» область повних щільностей станів формується електронними станами кисню 2р, а також Сd 4d станами (для кадмієвих апатитів), а зона субвалентних станів — 2s станами кисню. Невеликий внесок у «приферміївську» область роблять електронні 3d стани ванадію. Встановлено, що дно зони провідності формується Ca 3d та V 3d станами. Встановлено, що V―O зв’язок визначається головним чином сильною O 2p―V 3d взаємодією. Встановлено, що зі зменшенням електронегативності аніону X = (F, Cl, OH) ширина енергетичної щілини зменшується в межах кількох десятих електронвольт. З іншого боку, у разі заміщення кальцію на кадмій ширина енергетичної щілини зменшується в межах 0,6 еВ. Теорія функціоналу електронної густини з гарною наближенністю дає можливість розрахувати параметри ґратки для кальцієвих апатитів і кадмієвих апатитів, а також ширини енергетичних щілин для кальцієвих апатитів. Проте суттєве зменшення ширини енергетичної щілини при заміщенні всіх атомів кальцію на атоми кадмію ще потребує експериментального підтвердження. Отже, метою роботи є дослідження фізико-хімічних властивостей гідроксіапатитів для розробки технологій створення нативної кістки.