STRUCTURE AND THERMAL PROPERTIESOF THE GLASS-FORMING SYSTEM Na2O – Al2O3 – P2O5

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Phosphate glasses can be used as immobilization matrices for radioactive waste. To choose the most suitable compositions for this purpose, it is important to observe data on both the glass structure and physicochemical properties. In the present work, the classical molecular dynamics method was used to evaluate a number of physicochemical properties of Na2O – Al2O3 – P2O5 glass with a mass fractions 0.25 – 0.25 – 0.5, respectively, which is considering as a base glass for complex immobilization matrices. The model system was smoothly cooled from the melt at T = 2300 K downto room temperature. During cooling, the temperature dependences of the density and heat capacity were obtained. According to the calculation, the specific heat capacity of the glass at room temperature is 1.17 J/(g*K). The calculated the radial distribution functions and time dependences of the mean squared ion displacements show that the ensemble at room temperature is in a glassy state. A detailed analysis of the local structure, including the statistics of local environments [MeOn], was arried out. The glass is shown to contain [PO4] tetrahedra combined with [AlO5] and [AlO6], as well as various sodium groupings. The maxima of the radial distributionfunctions of P-O, Al-O and Na-O lie at 1.50, 2.02 and 2.45 Å, respectively, which is in good agreement with the reference data on the structure of glasses with similar compositions. In addition, the density of 2.526 g/cm3 calculated for room temperature is within the range of typical densities of phosphate glasses and matches the experimentally measured value. For the room-temperature glass, the vibrational densities of states are calculated. The characteristic vibrational frequencies of aluminum and phosphorus are in the regions of 450 cm-1 and 1300 cm-1, respectively, which agree with the experimental Raman spectra semi-quantitatively. To calculate thermal conductivity, nonequilibrium molecular dynamics was used, where the heat flux was simulated in the cell and the temperature gradient was recording. The calculated thermal conductivity and thermal diffusivity are equal to 1.35 W/(m*K) and 4.57*10–7 m2/s, respectively.

About the authors

D. O. Zakiryanov

The Institute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: dmitryz.ihte@gmail.com
Ekaterinburg, Russia

M. I. Vlasov

The Institute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: dmitryz.ihte@gmail.com
Ekaterinburg, Russia

References

  1. SenguptaP. //J.Hazard.Mater. 2012.235-236. P. 17-28. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.07.039
  2. Oelkers E.H., Montel J.-M. // Elements. 2008.4(2). P. 113-116. https://doi.org/10.2113/gselements.4.2.113
  3. Мусатов Н.Д., Кащеев В.А., Тучкова А.И. и др. // Вопр. атом. науки и тех. 2020.№ 1 (102). Стр. 66–75.
  4. Власов М.И., Ведерникова Е.Д., Першина С.В. и др. // Стекло и керамика. 2025.98(1), Стр. 03–16.
  5. Brow R.K. // J. Non-Cryst. Solids. 2000.263-264. P. 1—28. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(99)00620-1
  6. Zielniok D., Cramer C., Eckert H. // Chem. Mater. 2007.19.P. 3162–3170. https://doi.org/10.1021/cm0628092
  7. Balyakin I.A., Vlasov M.I., Pershina S.V., Tsymbarenko D.M., Rempel A.A. // Comput. Mater. Sci. 2024.239. P. 112979. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2024.112979
  8. Muñoz F., Rocherullé J., Ahmed I., Hu L. Springer Handbook of Glass. Springer. 2019. P. 553–594.
  9. Muñoz F., Montagne L., Pascual L., Durán A. // J. Non-Cryst. Solids. 2009.355. P. 2571–2577. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.09.013
  10. Grest G.S., Cohen M.H. // Phys. Rev. B. 1980.21. P. 4113–4117. https://doi.org/10.1103/physrevb.21.4113
  11. Hoppe U., Walter G., Kranold R., Stachel D. // J. Non-Cryst. Solids. 2000.263-264. P. 29-47. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(99)00621-3
  12. Liu H., Zhao Z., Zhou Q. et al. // C. r., Géosci. 2022.354(S1). P. 35-77. https://doi.org/10.5802/crgeos.116
  13. Jahn S. // Rev. Mineral. Geochem. 2022.87(1). P. 193-227. https://doi.org/10.2138/rmg.2022.87.05
  14. Pedone A // J. Phys. Chem. C. 2009.113(49). P. 20773-20784. https://doi.org/10.1021/jp9071263
  15. Buckingham R.A. // Proc. R. Soc. Lond. 1938.168(933). P. 264-283. https://doi.org/10.1098/rspa.1938.0173
  16. Al-Hasni B., Mountjoy G. // J. Non-Cryst. Solids. 2010.357(15). P. 2775-2779. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2010.10.010
  17. Du J., Cormack A.N. // J. Non-Cryst. Solids. 2004.349. P. 66-79. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.264
  18. Lv X., Xu Z., Li J., Chen J., Liu Q. // J. Mol. Liq. 2016.221. P. 26-32. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2016.05.064
  19. Zakiryanov D., Kobelev M., Tkachev N. // Fluid Ph. Equilib. 2019.506. P. 112369. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2019.112369
  20. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et al. // Comput. Phys. Commun. 2021.271. P. 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
  21. Thomas M., Brehm M., Fligg R., Vöhringer P., Kirchner B. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013.15(18). P. 6608. https://doi.org/10.1039/c3cp44302g
  22. Chanshetti U.B., Shelke V.A., Jadhav S.M. et al. // FU Phys Chem Technol. 2011.9(1).P. 29-36. https://doi.org/10.2298/fupct1101029c
  23. Brow R.K. // J. Am. Ceram. Soc. 1993.76(4). P. 919-928. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb05315.x
  24. Alhasni B. // J. Non-Cryst. Solids. 2021.578. P. 121338. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121338
  25. Shvanskaya L.V., Yakubovich O.V., Belik V.I. // Crystallogr. Rep. 2016.61. P. 786–795. https://doi.org/10.1134/s1063774516050205
  26. Hoppe U. // J. Non-Cryst. Solids. 1996.195. P. 138–147. https://doi.org/10.1016/0022-3093(95)00524-2
  27. Schneider J., Oliveira S.L., Nunes L.A.O., Panepucci H. // J. Am. Ceram. Soc. 2003.86. P. 317–324. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2003.tb00017.x
  28. Yadav A.K., Singh P. // RSC Advances. 2015.5(83). P. 67583-67609. https://doi.org/10.1039/c5ra13043c
  29. Li W., He D., Li S., Chen W., Hu L. // Ceram. Int. 2014.40(8).P. 13389-13393. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.05.056
  30. Hudgens J.J., Brow R.K., Tallant, Martin S.W. // J. Non-Cryst. Solids. 1998.223(1-2).P. 21-31. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(97)00347-5
  31. Boucher S., Piwowarczyk J., Marzke R.F. et al. // J. Europ. Ceram. Soc. 2005.25. P. 1333–1340. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.01.016
  32. Goj P., Handke B., Stoch P. // Sci. Rep. 2022.12. P. 17495. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22432-5
  33. Freitas A.M., Bell M.J.V., Anjos V. et al. J. Lumin. 2015.169. P. 353–358. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.08.062
  34. Sengupta P. // J. Hazard. Mater. 2012.235-236. P. 17–28. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.07.039
  35. Oelkers E.H., Montel J.-M. // Elements. 2008.4(2). P. 113–116. https://doi.org/10.2113/gselements.4.2.113
  36. Musatov N.D., Kashcheev V.A., Tuchkova A.I. i dr. // Vopr. atom. nauki i tekh. 2020.№ 1 (102). P. 66–75.
  37. Vlasov M.I., Vedernikova E.D., Pershina S.V. i dr. // Steklo i keramika. 2025.98(1), P. 03–16.
  38. Brow R.K. // J. Non-Cryst. Solids. 2000.263-264. P. 1–28. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(99)00620-1
  39. Zielniok D., Cramer C., Eckert H. // Chem. Mater. 2007.19.P. 3162–3170. https://doi.org/10.1021/cm0628092
  40. Balyakin I.A., Vlasov M.I., Pershina S.V., Tsymbarenko D.M., Rempel A.A. // Comput. Mater. Sci. 2024.239. P. 112979. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2024.112979
  41. Muñoz F., Rocherullé J., Ahmed I., Hu L. Springer Handbook of Glass. Springer. 2019. P. 553–594
  42. Muñoz F., Montagne L., Pascual L., Durán A. // J. Non-Cryst. Solids. 2009.355. P. 2571–2577. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.09.013.
  43. Grest G.S., Cohen M.H. // Phys. Rev. B. 1980.21. P. 4113–4117. https://doi.org/10.1103/physrevb.21.4113
  44. Hoppe U., Walter G., Kranold R., Stachel D. // J. Non-Cryst. Solids. 2000.263-264. P. 29–47. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(99)00621-3
  45. Liu H., Zhao Z., Zhou Q. et al. // C. r., Géosci. 2022.354(S1). P. 35–77. https://doi.org/10.5802/crgeos.116
  46. Jahn S. // Rev. Mineral. Geochem. 2022.87(1). P. 193–227. https://doi.org/10.2138/rmg.2022.87.05
  47. Pedone A // J. Phys. Chem. C. 2009.113(49). P. 20773–20784. https://doi.org/10.1021/jp9071263
  48. Buckingham R.A. // Proc. R. Soc. Lond. 1938.168(933). P. 264–283. https://doi.org/10.1098/rspa.1938.0173
  49. Al-Hasni B., Mountjoy G. // J. Non-Cryst. Solids. 2010.357(15). P. 2775–2779. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2010.10.010
  50. Du J., Cormack A.N. // J. Non-Cryst. Solids. 2004.349. P. 66–79. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.264
  51. Lv X., Xu Z., Li J., Chen J., Liu Q. // J. Mol. Liq. 2016.221. P. 26–32. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2016.05.064
  52. Zakiryanov D., Kobelev M., Tkachev N. // Fluid Ph. Equilib. 2019.506. P. 112369. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2019.112369
  53. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et al. // Comput. Phys. Commun. 2021.271. P. 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
  54. Thomas M., Brehm M., Fligg R., Vöhringer P., Kirchner B. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013.15(18). P. 6608. https://doi.org/10.1039/c3cp44302g
  55. Chanshetti U.B., Shelke V.A., Jadhav S.M. et al. // FU Phys Chem Technol. 2011.9(1).P. 29–36. https://doi.org/10.2298/fupct1101029c
  56. Brow R.K. // J. Am. Ceram. Soc. 1993.76(4). P. 919-928. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb05315.x
  57. Alhasni B. // J. Non-Cryst. Solids. 2021.578. P. 121338. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121338
  58. Shvanskaya L.V., Yakubovich O.V., Belik V.I. // Crystallogr. Rep. 2016.61. P. 786–795. https://doi.org/10.1134/s1063774516050205
  59. Hoppe U. // J. Non-Cryst. Solids. 1996.195. P. 138–147. https://doi.org/10.1016/0022-3093(95)00524-2
  60. Schneider J., Oliveira S.L., Nunes L.A.O., Panepucci H. // J. Am. Ceram. Soc. 2003.86. P. 317–324. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2003.tb00017.x
  61. Yadav A.K., Singh P. // RSC Advances. 2015.5(83). P. 67583–67609. https://doi.org/10.1039/c5ra13043c
  62. Li W., He D., Li S., Chen W., Hu L. // Ceram. Int. 2014.40(8).P. 13389–13393. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.05.056
  63. Hudgens J.J., Brow R.K., Tallant, Martin S.W. // J. Non-Cryst. Solids. 1998.223(1-2).P. 21–31. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(97)00347-5
  64. Boucher S., Piwowarczyk J., Marzke R.F. et al. // J. Europ. Ceram. Soc. 2005.25. P. 1333–1340. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.01.016
  65. Goj P., Handke B., Stoch P. // Sci. Rep. 2022.12. P. 17495. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22432-5
  66. Freitas A.M., Bell M.J.V., Anjos V. et al. J. Lumin. 2015.169. P. 353–358. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.08.062

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».