Перейти до вмісту
Наукові вісті КПІ
ISSN 2617-5509 · e‑ISSN 2663-7472 Відкритий доступ · CC BY 4.0
Т. · № 1 · 2019 бер 5, 2019 статті

КВАНТОВОМЕХАНІЧНІ РОЗРАХУНКИ АТОМНОЇ СТРУКТУРИ ТА ЕЛЕКТРОННОЇ БУДОВИ КАРБОНАТВМІСНИХ АПАТИТІВ КАЛЬЦІЮ

AR
Anastas A. Romansky Відповідальний G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of the NAS of Ukraine, Ukraine Україна
LK
Lyubov I. Karbivska G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of the NAS of Ukraine, Ukraine Україна
VK
Volodymyr L. Karbivskyy G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of the NAS of Ukraine, Ukraine Україна
OK
Olena Ya. Kuznetsova National Aviation University, Ukraine Україна
VS
Viktor V. Stonis G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of the NAS of Ukraine, Ukraine Україна
AS
Arsen P. Soroka G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of the NAS of Ukraine, Ukraine Україна
Опублікованобер 5, 2019
PDF
НВКПІ 1 ТОМ · 1
ТОМ · № 1 · 2019 Переглянути випуск

Анотація

Background. The inclusion of the CO 3 2 - ion into the structure of apatite leads to significant changes in the chemical and physical characteristics of the mineral. The growth rate of the hydroxyapatite crystal significantly decreases with carbonate ions, and the resistance of the tooth enamel and bones to acids is reduced. At the same time, the concentration of CO 3 2 - in bone apatite controls the shape and size of nanocrystals of this mineral, which is an important condition for the preservation of nanoscale effects of these crystals and, accordingly, plays an important role in the processes of bone metabolism. Objective. The aim of the paper is theoretical study of the effect of the inclusion of CO 3 2 - ion into the apatite structure on the atomic and the electronic structure of the mineral. Methods. Calculations within the density functional theory (DFT) using the Wien2k package, which based on the full-potential ( linearized ) augmented plane-wave (( L ) APW ) + local orbitals ( lo ) method, using the Perdew–Burke–Ernzerhof generalized gradient approximation for solids ( PBEsol-GGA ). Results. Atomic coordinates, bond lengths, total and partial densities of the electronic states of apatites Са 10 (РO 4 ) 6 (ОН) 2 , Са 10 (РO 4 ) 6 СО 3 , Са 10 (РO 4 ) 6 ОН(СО 3 ) 0.5 , Са 9 Ñ(РO 4 ) 5 (СО 3 )(ОН) 2 are calculated using the density functional theory. The effect of isomorphic substitution of A and B types on the electronic structure of apatite-like compounds has been investigated. Changes in the atomic structure of apatite are analyzed when CO 3 2 - ions are included in its structure, both in the anion and the phosphate tetrahedron positions. Comparison of calculated and experimental data was carried out. Conclusions. It was shown that the structure of the occupied part of the valence bands of both types of isomorphically substituted calcium apatites retains a pronounced band character with different lengths of individual sub-bands. Two energy-separated structural regions were revealed – the upper part of the valence band and the lower part of the valence band – subvalent states. The structure of the middle part of the valence band (the region of valence states with energies from ~14 to 19 eV) is poorly expressed. The main contribution to the formation of the main features of the upper part of the valence band of the studied apatites is made by the hybridized s -, p - and partially d -electronic states of calcium and phosphorus ions. The structure of subvalent states is determined by the s states of oxygen, phosphorus and partly metal. The sublattice of oxygen tetrahedra is decisive in the formation of the shape and main features of the total density of electronic states curve of isomorphically substituted calcium apatites. In the case of B -type substitutions, a significant spatial distortion of the carbonate ion occurs.

Ключові слова

#Calcium apatite #Isomorphic substitution #Density functional theory #Density of electronic states #Atomic coordinates #Bond lengths

Посилання

  1. V.L. Karbovskii and A.P. Shpak, Apatite and Apatite-Like Compounds. Electronic Structure and Properties . Kyiv, Ukraine: Naukova Dumka, 2010.
  2. A.P. Shpak et al ., Apatite . Kyiv, Ukraine: Akademperiobika, 2002, 414 p.
  3. J.C. Elliott, Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates. Studies in Inorganic Chemistry . Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 1994, 234 p.
  4. J.M. Hughes and J.F. Rakovan, “Structurally robust, chemically diverse: apatite and apatite supergroup minerals”, Elements , vol. 11, no. 3, pp. 165–170. 2015. doi: 10.2113/gselements.11.3.165
  5. D. McConnell, “Biologic apatites”, in Apatite. Applied Mineralogy / Technische Mineralogie , vol. 5. Vienna, Austria: Springer, 1973.
  6. R.Z. LeGeros et al ., “Apatite crystallites: Effects of carbonate on morphology”, Science , vol. 155, no. 3768, pp. 1409–1411, 1967. doi: 10.1126/science.155.3768.1409
  7. S.E.P. Dowker et al ., “Crystal chemistry and dissolution of calcium phosphate in dental enamel”, Mineralogical Magazine , vol. 63, no. 6, pp. 791–800, 1999. doi: 10.1180/002646199548934
  8. Y. Pan and M.E. Fleet, “Compositions of the apatite-group minerals: substitution mechanisms and controlling factors”, Rev. Mineral. Geochem ., vol. 48, no. 1, pp. 13–49, 2002. doi: 10.2138/rmg.2002.48.2
  9. J.A.L. Rabone and N.H. de Leeuw, “Potential routes to carbon inclusion in apatite minerals: a DFT study”, Phys Chem Mi ­ nerals , vol. 34, pp. 495–506, 2007. doi: 10.1007/s00269-007-0165-7
  10. R.Z. LeGeros et al ., “Two types of carbonate substitution in the apatite structure”, Experientia , vol. 25, pp. 5–7, 1969. doi: 10.1007/BF01903856
  11. C.H. Yoder et al ., “The relative stabilities of A- and B-type carbonate substitution in apatites synthesized in aqueous solution”, Mineralogical Magazine , vol. 80, no. 6, pp. 977–983, 2016. doi: 10.1180/minmag.2016.080.035
  12. H. Madupalli et al ., “Carbonate substitution in the mineral component of bone: Discriminating the structural changes, si­multaneously imposed by carbonate in A and B sites of apatite”, J. Solid State Chem ., vol. 255, pp. 27–35, 2017. doi: 10.1016/j.jssc.2017.07.025
  13. S.M. Barinov et al ., “Carbonate release from carbonated hydroxyapatite in the wide temperature range”, J. Mater. Sci. Mater. Med. , vol. 17, no. 7, pp. 597–604, 2006. doi: 10.1007/s10856-006-9221-y
  14. B.K. Sarma et al ., “Biomimetic deposition of carbonate apatite and role of carbonate substitution on mechanical properties at nanoscale”, Mater. Lett. , vol. 185, pp. 387–390, 2016. doi: 10.1016/j.matlet.2016.09.028
  15. M.F. Little and F. Brudevold, “A study of the inorganic carbon dioxide in intact human enamel”, J. Dental Res. , vol. 37, no. 6, pp. 991–1000, 1958. doi: 10.1177/00220345580370062001
  16. J.C. Elliott et al ., “Acidic demineralization of apatites studied by scanning X-ray microradiography and microtomography”, Mineralogical Magazine, vol. 69, no. 5, pp 643– 652, 2005. doi: 10.1180/0026461056950276
  17. A.C. Deymier et al ., “Protein-free formation of bone-like apatite: New insights into the key role of carbonation”, Biomaterials , vol. 127, pp. 75–88, 2017. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.02.029
  18. H. Nagai et al ., “Effects of low crystalline carbonate apatite on proliferation and osteoblastic differentiation of human bone marrow cells”, J. Mater. Sci: Mater. Med. , vol. 26, p. 99, 2015. doi: 10.1007/s10856-015-5431-5
  19. M. Nakamura et al ., “Hydroxyapatite with high carbonate substitutions promotes osteoclast resorption through osteocyte-like cells”, ACS Biomater. Sci. Eng ., vol. 2, no. 2, pp. 259–267, 2016. doi: 10.1021/acsbiomaterials.5b00509
  20. M. Okada and T. Matsumoto, “Synthesis and modification of apatite nanoparticles for use in dental and medical applications”, Jap. Dental Sci. Rev. , vol. 51, no. 4, pp. 85–95, 2015. doi: 10.1016/j.jdsr.2015.03.004
  21. J.F. Rakovan and J.D. Pasteris, “A technological gem: Materials, medical, and environmental mineralogy of apatite”, Elements , vol. 11, no. 3, pp. 195–200, 2015. doi: 10.2113/gselements.11.3.195
  22. A. Szcześ et al ., “Properties of natural and synthetic hydroxyapatite and their surface free energy determined by the thin-layer wicking method”, Appl. Surf. Sci ., vol. 434, pp. 1232–1238, 2018. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.11.250
  23. E. Sjöstedt et al. , An alternative way of linearizing the augmented plane-wave method”, Solid State Commun ., vol. 114, no. 1, pp. 15–20, 2000. doi: 10.1016/S0038-1098(99)00577-3
  24. G.K.H. Madsen et al. , “Efficient linearization of the augmented plane-wave method”, Phys. Rev. B , vol. 64, ID 195134, 2001. doi: 10.1103/PhysRevB.64.195134
  25. K. Schwarz et al ., “Electronic structure calculations of solids using the WIEN2k package for material sciences”, Comp. Phys. Commun. , vol. 147, no. 1-2, pp. 71–76, 2002. doi: 10.1016/S0010-4655(02)00206-0
  26. J.P. Perdew et al ., “Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces”, Phys. Rev. Lett ., vol. 100, ID 136406, 2008. doi: 10.1103/PhysRevLett.100.136406
  27. M.E. Fleet et al ., “Accommodation of the carbonate ion in apatite: An FTIR and X-ray structure study of crystals synthesized at 2–4 GPa”, American Mineralogist , vol. 89, no. 10, pp. 1422–1432, 2004. doi: 10.2138/am-2004-1009
  28. P.E. Blöchl et al ., “Improved tetrahedron method for Brillouin-zone integrations”, Phys. Rev. B , vol. 49, ID 16223, 1994. doi: 10.1103/PhysRevB.49.16223
  29. S. Jebri et al ., “Standard enthalpy, entropy and Gibbs free energy of formation of “A” type carbonate phosphocalcium hydroxyapatites”, J. Chem. Thermodynamics , vol. 106, pp. 84–94, 2016. doi: 10.1016/j.jct.2016.10.035
  30. R.A. Young et al ., “Reversible high temperature exchange of carbonate and hydroxyl ions in tooth enamel and synthetic hydroxyapatite”, J. Biol. Phys. , vol. 9, no. 1, pp. 1–26, 1981. doi: 10.1007/BF01987170
  31. B.V. Nekrasov, Basics of General Chemistry , vol. 3, 3rd ed. Moscow, SU: Khimiya, 1973, 656 p.
  32. G. Penel et al ., “Infrared and Raman microspectrometry study of fluor-fluor-hydroxy and hydroxy-apatite powders”, J. Mater. Sci. Mater. Med. , vol. 8, no. 5, p. 271–276, 1997. doi: 10.1023/A:1018504126866
  33. V.L. Karbovskii et al ., “The dielectric properties of calcium and cadmium apatites, calculated from the first principles”, Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnology , vol. 9, no. 2, pp. 409–418, 2011.
  34. V.L. Karbovskii et al ., “Elastic and piezoelectric properties of calcium and cadmium apatite compounds”, Physics of Metals and Advanced Technologies , vol. 33, no. 7, pp. 951–959, 2011.
  35. K. Momma and F. Izumi, “VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data”, J. Appl. Crystallogr. , vol. 44, pp. 1272–1276, 2011. doi: 10.1107/S0021889811038970
§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.
Усі випуски

ДВОЕТАПНИЙ ПІДХІД ДО СЕГМЕНТАЦІЇ СУПУТНИКОВИХ ЗНІМКІВ ДЛЯ ОЦІНЮВАННЯ ПЛОЩІ АСФАЛЬТОВАНОГО ПОКРИТТЯ ПАРКОВОК

Олександр Гончарук, Надія Недашківська

Проблематика. Точна оцінка площі асфальтованих парковок є важливою для містобудування та екологічного моніторингу. Однак спектральна подібність асфальту паркувальних…

#семантична сегментація #супутникові знімки #паркінг #нейронна мережа
10.20535/kpisn.2026.3.367540

ФОРМАЛІЗАЦІЯ РОЗРІДЖЕНОГО ANP З БІНАРНИМИ ПОРІВНЯННЯМИ НА ОСНОВІ ДАНИХ У КОЛІ ОДНОРІДНИХ КОМПОНЕНТІВ ДЛЯ ПРІОРИТИЗАЦІЇ РОЗПОДІЛУ РЕСУРСІВ

Вадим Романюк

Проблематика. Задачі розподілу обмежених ресурсів між взаємозалежними однорідними об’єктами виникають у багатьох прикладних сферах — зокрема, під час конкурсного…

#розподіл ресурсів #однорідні компоненти #взаємозалежності #аналітичний мережевий процес
10.20535/kpisn.2026.3.368158

РОЗРОБКА МЕТОДУ ФОРМАЛІЗАЦІЇ ДИНАМІЧНИХ ТЕПЛОВИХ ПОРТРЕТІВ ДЛЯ НАДІЙНОГО ВИЯВЛЕННЯ ЦІЛЕЙ

Степан Лис, Оксана Оборська

Проблематика. Автоматизовані системи спостереження з БпЛА стикаються з подвійним викликом: виявленням теплоконтрастних об'єктів у реальному часі та їх ідентифікацією в…

#тепловізійні системи #ідентифікація цілей #локалізація зони інтересу #динамічний тепловий портрет
10.20535/kpisn.2026.3.359114

Схожі статті

1-10 з 11

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.