科学家看“穿”玻璃 解密离子在磷酸盐玻璃中的运动方式

磷酸盐玻璃是一种多功能化合物，因其在燃料电池中的用途和作为提供治疗离子的生物材料而引起了人们的兴趣。形成磷酸盐玻璃结构网络的化合物五氧化二磷，就是由磷组成的一种化合物。磷与氧结合，可以采用多种不同键配置。

对磷酸盐玻璃在现实生活中的适用性至关重要的物理化学特性——例如，决定磷酸盐玻璃基生物材料在体内溶解的速度的水合反应——取决于离子向玻璃中的扩散。因此，要提高磷酸盐玻璃的理化性能，了解其结构与离子扩散之间的关系非常重要。然而，在原子水平上研究这种相互作用极其困难，这促使科学家们寻找一种合适的方法来阐明离子扩散过程的细节。

近日，以田村智之博士为首的日本名古屋工业大学研究团队，从理论上破译了磷酸盐玻璃水化反应过程中涉及的离子扩散机制。他们的研究已发表在《物理化学化学物理》杂志上。

在全连接的五氧化二磷是基磷酸盐玻璃中，每个磷酸盐单元中的三个氧原子与相邻的磷原子键合。为了研究水合过程中磷酸盐玻璃中离子的动力学，研究人员使用了一个由具有QP2和QP3形态的磷酸盐制成的模型，每个PO4四面体分别包含两个和三个桥接氧，以及六个配位的硅结构。

研究人员实施了一种称为“第一性原理分子动力学（MD）模拟”的理论计算方法来研究质子和钠离子向玻璃中的扩散。田村博士解释了他们非常规方法的基本原理，“第一性原理MD模拟使我们能够假设水渗透和扩散到硅磷酸盐玻璃的初始阶段，并首次阐明质子和无机离子的扩散。”

根据他们的观察，研究人员提出了一种机制，其中质子“跳跃”并通过氢键吸附到附近磷酸盐的非桥连氧或“悬空”氧原子上。然而，在他们使用的磷酸盐玻璃模型中，QP2磷酸盐单元比QP3磷酸盐单元对质子扩散的贡献更大。因此，他们发现磷酸盐网络结构的形态，或玻璃的“骨架”，极大地影响了离子的扩散。他们还注意到，当附近存在钠离子时，质子吸附到QP2磷酸盐单元减弱了钠离子和氧离子之间的静电相互作用，引起钠离子的链式扩散。

对用于有效预防和治疗的新型生物材料的需求正在上升，磷酸盐玻璃已准备好满足这一不断增长的需求。包括老年人和年轻人在内的很大一部分人口患有与骨骼和肌肉无力相关的疾病。正如田村博士推测的那样，“水溶性硅磷酸盐玻璃是提供促进组织再生的药物或无机离子的有希望的候选者，我们的研究使玻璃技术的研究更接近于实现这一目标。”

因此，研究人员的新见解必将对现实生活产生深远的影响，并导致燃料电池和生物可吸收材料的研究取得突破。

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