Gennem skueglasset:Optrævler, hvordan ioner bevæger sig i fosfatglas

Fosfatglas er en alsidig forbindelse, der har skabt interesse for dets anvendelse i brændselsceller og som biomaterialer til levering af terapeutiske ioner. P ₂ O ₅ -forbindelsen, der danner det strukturelle netværk af fosfatglas - består af fosfor, et element, der kan antage mange forskellige bindingskonfigurationer i kombination med oxygen.

De fysisk-kemiske egenskaber, der er afgørende for den virkelige anvendelighed af fosfatglas - f.eks. hydreringsreaktionen, der dikterer, hvor hurtigt et fosfatglasbaseret biomateriale vil opløses inde i kroppen - afhænger af diffusionen af ​​ioner ind i glasset. Dermed, at forbedre de fysisk-kemiske egenskaber af fosfatglas, det er vigtigt at forstå sammenhængen mellem strukturen og iondiffusion. Imidlertid, at studere sådanne interaktioner på atomniveau er ekstremt vanskeligt, får videnskabsmænd til at søge efter en passende tilgang til at belyse detaljerne i iondiffusionsprocessen.

For nylig, et team af forskere fra Nagoya Institute of Technology, Japan, ledet af Dr. Tomoyuki Tamura, har teoretisk dechifreret iondiffusionsmekanismen involveret i hydratiseringsreaktionsprocessen af ​​fosfatglas. Deres undersøgelse er blevet offentliggjort i Fysisk kemi Kemisk fysik tidsskrift.

I fuldt tilsluttet P ₂ O ₅ -baseret fosfatglas, tre af oxygenatomerne i hver fosfatenhed er bundet til nabophosphoratomer. At studere dynamikken af ​​ioner i fosfatglasset under hydreringsprocessen, forskerne brugte en model lavet af fosfater med QP ² og QP ³ morfologier, der indeholder to og tre brodannende oxygener pr. PO ₄ tetraeder, henholdsvis, sammen med seks koordinerede siliciumstrukturer.

Forskerne implementerede en teoretisk beregningsmetode kendt som "first-principles molecular dynamic (MD) simulation" for at undersøge diffusionen af ​​proton- og natriumioner ind i glasset. Forklarer begrundelsen for deres ukonventionelle tilgang, Dr. Tamura siger, "Første principper MD-simulering gjorde det muligt for os at antage den indledende fase af vand, der infiltrerer og diffunderer ind i silicophosphatglas og belyser diffusionen af ​​protoner og uorganiske ioner for første gang."

Baseret på deres observation, forskerne foreslog en mekanisme, hvor protonerne "hopper" og adsorberes på det ikke-brodannende oxygen- eller "dinglende" oxygenatom i nærliggende fosfater gennem hydrogenbindinger. Imidlertid, i fosfatglasmodellen de brugte, QP ² fosfat-enheder bidrog stærkere til diffusionen af ​​protoner end QP ³ fosfat enheder. Dermed, de fandt, at morfologien af ​​fosfatnetværkets struktur, eller "skelettet" af glasset, i høj grad påvirker diffusionen af ​​ioner. De bemærkede også, at når en natriumion var til stede i nærheden, adsorption af en proton på en QP ² fosfatenhed svækkede den elektrostatiske interaktion mellem natrium- og oxygenioner, inducerer kædediffusion af natriumioner.

Efterspørgslen efter nye biomaterialer til effektiv forebyggelse og behandling er stigende, og fosfatglas er godt rustet til at opfylde dette voksende behov. En stor del af befolkningen, omfatter både ældre og yngre mennesker, lider af sygdomme relateret til knogle- og muskelsvagheder. Som Dr. Tamura antager, "Vandopløseligt silicophosphatglas er en lovende kandidat til at levere lægemidler eller uorganiske ioner, der fremmer vævsregenerering, og vores undersøgelse tager forskningen i glasteknologi et skridt nærmere mod at realisere målet."

Dermed, forskernes nye indsigter vil helt sikkert have en dyb indvirkning på det virkelige liv og føre til gennembrud inden for forskning i brændselsceller og bioresorberbare materialer.