[논문 리뷰] The Melting Curve and Premelting of MgO

R. E. Cohen, Joshua S. Weitz|ArXiv.org|1996. 05. 03.

X-ray Diffraction in Crystallography참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Variational Induced Breathing (VIB) 퍼텐셜을 사용한 아비-아이티 분자역학 및 Potential Induced Breathing (PIB) 모델을 통한 역학적 구조 인자 분석을 통해 MgO의 융해 곡선과 융해 이전 행동을 계산한다. 융해 기울기는 114 K/GPa로 이전 실험 결과보다 세 배 높으며, 이는 비이온성 액체 거동 또는 실험 오류를 시사한다. S(q,ω)에서의 저주파수 피크는 융해 이전에 발생하는 초기 확산 상호작용을 나타낸다.

ABSTRACT

The melting curve for MgO was obtained using molecular dynamics and a non-empirical, many-body potential. We also studied premelting effects by computing the dynamical structure factor in the crystal on approach to melting. The melting curve simulations were performed with periodic boundary conditions with cells up to 512 atoms using the ab-initio Variational Induced Breathing (VIB) model. The melting curve was obtained by computing $% ΔH_m$ and $ΔV_m$ and integrating the Clapeyron equation. Our $% ΔH_m$ is in agreement with previous estimates and we obtain a reasonable $ΔV_m$, but our melting slope dT/dP (114 K/GPa) is three times greater than that of Zerr and Boehler [1994] (35 K/GPa), suggesting a problem with the experimental melting curve, or an indication of exotic, non-ionic behavior of MgO liquid. We computed $S(q,ω)$ from simulations of 1000 atom clusters using the Potential Induced Breathing (PIB) model. A low frequency peak in the dynamical structure factor $% S(q,ω)$ arises below the melting point which appears to be related to the onset of bulk many-atom diffusive exchanges. These exchanges may help destabilize the crystalline state and be related to intrinsic crystalline instability suggested in earlier simulations.

연구 동기 및 목표

• 일급 분자역학을 사용하여 MgO의 융해 곡선을 정확히 결정하는 것.
• 역학적 구조 인자 분석을 통해 융해 이전 현상(프리멜팅 현상)을 조사하는 것.
• 실험 융해 데이터의 타당성을 아비-아이티 시뮬레이션과의 비교를 통해 평가하는 것.
• 융해 이전에 결정립의 불안정성을 유도하는 다체계 확산 상호작용의 역할을 탐색하는 것.
• VIB 및 PIB 퍼텐셜이 MgO의 열역학적 및 동적 성질을 모델링하는 데 있어 신뢰성 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 주기적 경계 조건을 적용한 아비-아이티 Variational Induced Breathing (VIB) 퍼텐셜을 사용하여 분자역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 융해 과정에서의 ΔHm 및 ΔVm를 산정하기 위해 최대 512 원자로 구성된 시스템을 시뮬레이션하였다.
• 역학적 구조 인자 S(q,ω)를 산정하기 위해 1000 원자 클러스터 시뮬레이션을 PIB 모델을 사용하여 수행하였다.
• 융해 시의 엔탈피 및 부피 변화를 산정하여 Clapeyron 방정식을 통합하여 융해 곡선을 유도하였다.
• 융해점 이하에서 S(q,ω)에 저주파수 피크가 나타나는 현상을 분석하여 결정 내에서의 초기 집단 확산 운동의 징후로 간주하였다.
• 시뮬레이션된 융해 기울기 dT/dP를 실험 값과 비교하여 일관성 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아비-아이티 분자역학에 의한 예측에서 MgO의 정확한 융해 곡선은 무엇인가?
• RQ2 역학적 구조 인자 S(q,ω)는 MgO에서 융해 시작 이전의 프리멜팅 행동을 어떻게 드러내는가?
• RQ3 왜 시뮬레이션된 융해 기울기(114 K/GPa)가 실험 값(35 K/GPa)보다 크게 높은가?
• RQ4 융해 이전에 MgO 결정립의 불안정성을 유도하는 다체계 확산 상호작용의 역할은 무엇인가?
• RQ5 융해 기울기의 격차는 MgO 액체의 비이온성 특성 또는 실험 데이터의 결함을 시사하는가?

주요 결과

• 산정된 융해 엔탈피 변화 ΔHm는 이전의 추정치와 양호하게 일치하여 시뮬레이션 방법의 타당성을 검증한다.
• 융해 시 몰 부피 변화 ΔVm는 타당성이 있으며, 열역학 통합의 신뢰성을 뒷받침한다.
• 시뮬레이션된 융해 기울기 dT/dP는 114 K/GPa이며, 실험 값인 35 K/GPa보다 세 배 높다.
• 역학적 구조 인자 S(q,ω)에서 융해점 이하에 저주파수 피크가 나타나며, 이는 집단적 확산 운동의 시작을 나타낸다.
• 이러한 확산 상호작용은 결정립의 내재적 불안정성과 관련이 있으며, 융해 이전에 발생하고 융해를 촉진할 수 있다.
• 융해 기울기의 큰 격차는 실험 데이터의 오류 또는 MgO 액체에서의 이국적인 비이온성 거동을 시사한다.