Молекулярно-динамическое моделирование гидроксидных материалов и их взаимодействий с водными растворами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тарарушкин Евгений Викторович

• Тарарушкин Евгений Викторович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Тарарушкин Евгений Викторович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Значение и роль гидроксидных материалов в природе и деятельности 9 человека

1.1 Гидроксидные материалы в природе

1.2 Гидроксидные материалы в деятельности человека

1.3 Экспериментальные методы исследования гидроксидных материалов

2. Атомистическое моделирование материалов

2.1 Статистическая механика и термодинамические ансамбли

2.2 Первопринципные (ab initio) методы моделирования

2.3 Минимизация энергии системы частиц

2.4 Методы классической молекулярной динамики

2.5 Термостатирование и баростатирование

2.6 Эмпирические силовые поля

2.7 Погрешность вычислений

2.8 Свойства материалов, вычисляемые методом классической МД

3. Исследование свойств водных растворов при взаимодействии с

51

поверхностями гидроксидных материалов

3.1 Моделирование системы эттрингит - водный солевой раствор NaCl/Na2SO4

3.1.1 Эттрингит

3.1.2 Сборка моделей и параметры моделирований

3.1.3 Результаты моделирования

3.1.4 Выводы по главе

3.2 Моделирование системы портландит - водный раствор NaNO2 78 3.2.1 Портландит

3.2.2 Гидратированный ион NO2- и свойства водного раствора №N02

3.2.3 Сборка моделей и параметры моделирований отдельного кристалла портландит и системы портландит-водный раствор №а№02

3.2.4 Результаты моделирований отдельного кристалла портландит и ^ системы портландит-водный раствор №а№02

3.2.5 Структурные и динамические свойства воды при различных толщинах ^ межслоевого пространства портландита

3.2.6 Выводы по главе 111 4. Моделирование гидроксидных материалов при повышенных давлениях и

113

температурах

4.1 Моделирование брусита при повышенных давлениях и температурах

4.1.1 Брусит

4.1.2 Сборка моделей брусита и параметры моделирований

4.1.3 Результаты моделирования

4.1.4. Выводы по главе

4.2 Моделирование 10А фазы при повышенных давлениях и температурах

4.2.1 10А фаза

4.2.2 Сборка моделей 10А фаза и параметры моделирования

4.2.3 Результаты моделирования

4.2.4 Выводы по главе 184 Общие выводы

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Молекулярно-динамическое моделирование гидроксидных материалов и их взаимодействий с водными растворами»

Актуальность исследования

Компьютерное моделирование материалов дает возможность исследовать их без проведения экспериментальных исследований, которые зачастую требуют значительных материальных, денежных и временных затрат. Особенно такой подход актуален при исследовании поведения материалов при экстремальных условиях, где не всегда удается провести натурный эксперимент или однозначно интерпретировать его результаты. На сегодняшний день методы компьютерного моделирования на атомистическом уровне материалов уже являются неотъемлемой частью качественных исследований, дополняя натурные эксперименты нужной информацией, а иногда предоставляющие совершенно новые результаты. При этом нужно отметить, что исследования атомистическим моделированием проводятся в разных направлениях: осуществляется поиск новых минеральных фаз [Oganov & Glass, 2006]; моделируются минеральные фазы и металлы с учётом различных типов дефектов [Еремин, 2009; Smirnov & Stegailov]; исследуются свойства воды и водных растворов [Маленков, 1990; Тытик, 1997]; исследуется свойства органических растворов [Киселев, 2004; Крупин и Киселев, 2011; Киселев и Сафонова, 2011; Балабаев и др., 2018; Fedotova et al, 2020; Kondratyuk & Pisarev, 2021], в том числе ограниченных стенками твердых фаз [Фомин, 2013]; исследуются фазовые переходы [Балабаев и Лахно, 2020] и др.

Моделированию на атомистическом уровне гидроксидных материалов в нашей стране посвящено мало работ, хотя этот вид соединений имеет широкое распространение в природе и активно используется человеком. Особенностью гидроксидных материалов является наличие дисперсионных взаимодействий между атомами, а также наличие водородных связей, которые могут играть существенную роль в устойчивости структуры минералов, что несколько затрудняет создание моделей потенциальной энергии гидроксидных материалов. Компьютерное моделирование свойств гидроксидных материалов на фундаментальном атомистическом уровне позволяет не только лучше понять их поведение на этом уровне, но также дает возможность прогнозирования некоторых свойств материалов для более высоких уровней с точки зрения строения материалов (мезо- и макромасштабы). Все это делает актуальным фундаментальные исследования гидроксидов при высоких давлениях и температурах. Также появляется возможность фундаментальных исследований свойств водных растворов при их взаимодействиях с поверхностями гидроксидных материалов , что и определило цели и задачи настоящей работы.

Цели и задачи работы

Основными целями работы являлись:

1. Уточнение свойств слоистых гидроксидных материалов (брусит, 10А фаза) моделируемых с учётом угловых взаимодействий между атомами металлов и гидроксилов в их структурах при высоких давлениях и температурах.

2. Оценка влияния учёта угловых взаимодействий между атомами металлов и гидроксилов в структурах гидроксидных материалов (эттрингит, портландит) на свойства водных растворов солей, взаимодействующих с поверхностями этих гидроксидных материалов.

Для достижения целей работы были поставлены следующие задачи:

1. Расчёт и анализ структурных свойств и колебательных спектров гидроксидов (эттрингит, портландит, брусит и 10А фаза) при нормальных условиях.

2. Расчёт и анализ структурных свойств, механических характеристик и колебательных спектров гидроксидов (брусит и 10А фаза) при повышенных температурах и давлениях.

3. Расчёт и анализ структурных, динамических свойств и колебательных спектров водных растворов солей (№аС1, №а2$04, №а№02) при их взаимодействии с поверхностями цементных минералов (эттрингит, портландит). Определение адсорбционных центров на поверхностях эттрингита и портландита.

4. Расчет и анализ структурных, динамических свойств и колебательных спектров воды в межслоевом пространстве портландита с учётом разной толщины межслоевого пространства.

Научная новизна работы

1. Введены параметры углового взаимодействия между катионом Са и -ОН группой для модифицированной версии силового поля ClayFF-M0H.

2. Проведено моделирование 10А фазы с учетом замещений гидрогранатового типа, что позволило получить более точные оценки механических характеристик фазы при высоких температурах и определить положение полосы валентных колебаний -ОН у силанольных групп дефектов.

3. Предложены новые параметры потенциала межатомного взаимодействия для гидратированного иона №02 .

4. Определены механизмы адсорбции ионов водных растворов №аС1 и Na2S04 при их взаимодействиях с поверхностью эттрингита. Определены механизмы адсорбции гидратированного иона №02 на поверхности портландита.

Защищаемые положения

1. Введение углового слагаемого Mg-0-H в QayFF позволяет улучшить воспроизведение колебательных спектров брусита, в том числе при высоких давлениях и температурах.

2. Учет угловых взаимодействий в модели 10А фазы показало различие в поведении молекул Н20, расположенных вблизи и вдали от дефектов гидрогранатового типа, что не удавалось воспроизвести без учета этих взаимодействий.

3. Предложена новая параметризация гидратированного иона №02 ' в которой отрицательный заряд перераспределен между всеми тремя атомами. Моделирование в новой параметризации показывает два возможных механизма адсорбированного иона на поверхности портландита.

4. На примере моделирования системы портландит-вода с разными величинами толщины порового пространства показано, что новая угловая добавка Са-0-Н в силовом поле QayFF также позволяет обнаруживать изменения в свойствах воды, которые характерны для ограниченной твердыми поверхностями жидкой фазы.

5. Продемонстрирован значимый вклад внутрикристаллических водородных связей в механические свойства эттрингита и влияние этих водородных связей на адсорбцию ионов из водных растворов.

6. Новая модификация силового поля ClayFF-M0H позволяет моделировать слоистые гидроксидные материалы (брусит, 10А фазы) при более высоких температурах и давлениях по сравнению с оригинальной версией QayFF-orig.

Теоретическая и практическая значимость работы

Результаты моделирований при высоких давлениях и температурах брусита и 10А фазы полезны для описания геофизических и геохимических процессов в верхней мантии Земли. Кроме того, результаты вычислений 10А фазы также пригодны для более глубокого понимания процесса транспорта воды в зонах субдукции Земли.

Параметры углового взаимодействия Са-О-Н с некоторыми ограничениями пригодны для моделирования методом классической молекулярной динамики различных гидроксидных материалов, в составе которых присутствует связь Са-О-Н.

Также пригодна для моделирования новая параметризация иона нитрита для моделирования взаимодействия различных кристаллических фаз с водными растворами, а также гидроксидных материалов содержащих ионы нитрита в своем составе.

Результаты моделирований взаимодействий эттрингита и портландита с водными растворами солей (№С1, NN0^ можно применять для моделей, позволяющих

предсказывать долговечность бетона на основе портландцемента.

Личный вклад автора

Все результаты исследования, приведенные в диссертации, получены лично автором под руководством научного руководителя к.ф.-м.н. Писарева В.В. и профессора Калиничева А.Г.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых журналах, 14 тезисов докладов и статей в сборниках по материалам российских и международных конференций.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Российское Совещание по глинам и глинистым минералам (Москва, 2019, 2022), конференция по глинам международной ассоциации по изучению глин (дистанционно, 2020, Турция, Стамбул, 2022), конференция Гольдшмидта (дистанционно, 2021, 2022), Международная конференция "Взаимодействие интенсивных потоков энергии с веществом" (дистанционно, 2021, Кабардино-Балкария Терскол, 2022), 17-й Российский Симпозиум Ф0АММ-2021 «Фундаментальные основы атомического многомасштабного моделирования» (Абхазия,

Новый Афон, 2021), Осенняя национальная встреча американского химического общества (дистанционно, 2021), Кластер конференций 2021 (Иваново, 2021), 8-я Международная конференция по глинам в естественных и искусственных барьерах для захоронения радиоактивных отходов (Франция, Нанси, 2022), Всероссийская конференция «Физика водных растворов» (Москва, 2021, 2022).

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность профессору Калиничеву А.Г. за помощь в постановке задач исследований, советы и рекомендации. Также автор выражает благодарность к.ф.-м.н. Смирнову Г.С. за помощь в проведении расчетов 10А фазы теорией функционала электронной плотности.

Глава 1. Значение и роль гидроксидных материалов в деятельности природы и

человека

1.1 Гидроксидные материалы в природе

Природу и окружающий мир человека невозможно представить без гидроксидных материалов, это довольно распространенный тип минералов, содержащихся в земной коре. Наряду с оксидами гидроксиды являются одними из самых распространенных неорганических соединений. При этом до сих пор происходит открытия новых гидроксидных минералов. Исследованию гидроксидов уделяют внимание практически все научные и инженерные специальности, такие как физика, химия, кристаллография, геология, геофизика и др. Например, физические и химические науки изучают вопросы, связанные с полиморфными превращениями [Li et al., 2011], метастабильными состояниями [Cudennec & Lecerf, 2003], дисперсионными взаимодействиями между атомами [Ugliengo et al., 2009] и др. В геологических науках исследователи занимаются не только описанием гидроксидов на физическом и химическом уровнях, но также изучают, моделируют и прогнозируют различные геологические процессы, связанные с подобными материалами, например, представляет интерес проблема фазовых превращений минералов и освобождение водного флюида в глобальной системе «ядро-мантия-внешние оболочки Земли» [Ращенко, 2015].

Из гидроксидов в данной работе представлено моделирование таких природных минералов как брусит, портландит, эттрингит и 10А фаза. Брусит, Mg(OH)2, один из самых простых твердых материалов, которые имеют гидроксильные группы, OH-, в своем составе [Fukui et al., 2003]. В естественных условиях брусит образуется за счет горячих и холодных вод в щелочной среде как вторичное образование по магнезиальным силикатам и является продуктом изменения периклаза, MgO, в зоне контактового метаморфизма известняков. Свойства брусита под высокими давлениями имеют значительный интерес как для водосодержащего слоистого минерала, который входит в состав верхней мантии Земли. Особенно интересны такие явления, как дегидратация и дегидроксилирование при высоком давлении, а также аморфизация минерала, проявляющаяся при сжатии минерала также под высокими давлениями. Открытие большого количества магнезиальных силикатов, содержащих структурно связанные гидроксилы, поставило вопрос о роле подобных минеральных фаз в недрах Земли. Поэтому брусит служит полезным модельным минералом при исследовании водных и слоистых минералов при высоких давлениях [Duffy et al., 1995b].

Одним из важных вопросов при изучении брусита является поведения атомов водорода, в том числе исследование природы водородных связей. При этом нужно также отметить, что природа дисперсионных сил между слоями в брусите до конца не изучена и на сегодняшний день является спорным вопросом. Изучение свойств брусита не ограничивается только под воздействием высоких давлений [Duffy et al., 1995b, Ma et al., 2013], также проводятся исследования при низких и при высоких температурах, как при повышенных давлениях, так и при нормальном давлении [Fei and Mao, 1993, Fukui et al., 2003, Chakoumakos et al., 1997].

Портландит, Ca(OH)2, также как и брусит, представляет интерес с точки зрения минерала содержащего гидроксилы. С точки зрения кристаллической структуры портландит и брусит подобны, оба имеют тригональную сингонию и принадлежат гексагонально-скаленоэдрический точечной группе 3m (3 2/m). Портландит также имеет довольно широкое распространение в природе, он встречается в океанической коре и верхней части мантии Земли. Поэтому его изучение, полезно с точки зрения прогнозирования и моделирования сейсмических процессов в мантии, включая изучения процессов дегидратации и движения воды в верхней части мантии Земли [Nagai et al., 2000]. При изучении портландита исследователей также интересует вопрос поведения атомов водорода и дисперсионных взаимодействий между слоями минерала при высоких давлениях и температурах [Iizuka et al, 2013, Dupuis et al, 2017, Nagai et al, 2000].

Эттрингит - гидросульфоалюминат кальция, Ca6[Al(OH)6]2[SO4]3 wH2O, n=24-27. В природе эттрингит был обнаружен Ж. Леманном в 1874 году во включениях известняка базальтовой лавы вулкана Беллерберг, расположенного рядом с поселением Эттринген (Рейнланд-Пфальц, Германия) [Lehmann, 1874]. Эттрингит входит в состав эттрингитовой минеральной группы, в которую входят также таумасит, бенторит и другие водные сульфаты Ca и Al. В природе эттрингит встречается редко, но достаточно сильный интерес к нему проявляют исследователи в области химии и физики портландцементов, так как эттрингит является источником сульфатной коррозии цементных бетонов [Taylor et al., 2001]. Также как и для брусита и портландита при изучении эттрингита исследователи уделяют внимание поведению водородов и водородным связям [Goetz-Neunhoeffer and Neubauer, 2006, Scholtzova et al, 2015], которые образуются между молекулами H2O, входящим в состав эттрингита, и гидроксилами (и кислородами анионов сульфатов).

Проблема фазовых превращений минералов и освобождение водного флюида в зонах субдукции имеет важное значение в геохимии. Кроме безводных минералов с гидраксилами

в своем составе, особое место для объяснения процесса высвобождении и транспорта H2O из внешних геосфер Земли в глубинные резервуары имеют высокобарические водосодержащие магнезиальные силикаты (DHMS). Одним из таких минералов является 10Â фаза, Mg3Si4Oi0(OH)2 wH2O, [Wang et al., 2004a, Rashchenko et al., 2016]. На сегодня известно, что 10Â фаза образуется из талька, Mg3Si4O10(OH)2, при высоких давлениях [Comodi et al., 2005]. По той причине, что в состав 10Â фазы входят гидроксилы и молекулы H2O особое внимание при изучении данного минерала уделяют поведению атомов водорода и водородным связям при различных давлениях и температурах. Также исследователей интересует сам вопрос формирование 10Â фазы из талька.

1.2 Гидроксидные материалы в деятельности человека

Гидроксиды имеет широкое распространение в деятельности человека. Без них невозможно представить ни одну отрасль человеческой деятельности, их применяют в электронной, металлургической, строительной, машиностроительной и др. отраслях. В электронике гидроксиды, например, широко применяются при изготовлении щелочных аккумуляторов (Ni(OH)2, LiOH-H2O) [Tang et al., 2015], а также в качестве вспомогательных компонентов, например, при травлении микросхем активно применяют KOH [Ekinci et al., 2019]. В металлургии активно применяют гидроксиды, как в виде исходных материалов, например, руды, содержащие Fe(OH)3 и Al(OH)3, [Zhang et al., 2020] так и виде вспомогательных материалов, например, в качестве защитного покрытия футеровок печей применяют золь гидроксида циркония. В строительной отрасли часто применяют готовые материалы, в состав которых могут входить гидроксиды. Например, в составе готового бетона на основе портландцемент присутствуют AFt- и AFm-фазы [Штарк и Вихт, 2004], которые являются гидроксидными материалами. При этом в промышленности применяют не только природные, но и синтетические гидроксидные материалы. Например, широко применяют синтетический гидроксид алюминия, Al(OH)3, в качестве антипирена и пр.

Вышеописанные гидроксидные материалы, брусит, портландит и эттрингит, имеют важное значение также в различных отраслях человеческой деятельности. Так природный брусит применяют для получения металлического магния, для получения строительных и огнеупорных материалов [Kaiping et al., 2004, Unluer & Al-Tabbaa, 2015], в качестве сорбента для очистки сточных воды, в качестве ингредиента при производстве специальных сортов бумаги, и др. Из-за того, что брусит относится к двойным слоистым гидроксидам (LDH) его

также применяют как катализатор, особенно эффективно его применение для синтеза простых эфиров гликоля [Timofeeva et al, 2016]. Интерес исследователей также вызывает применение природного и синтетического брусита и на наноуровне [Moreira et al., 2013, Gomez-Villalba et al., 2017].

Портландит, в отличие от брусита реже встречается в природе, поэтому применение природного портландита довольно ограничено человеком. Синтетический портландит можно получить реакцией взаимодействия воды c оксидом кальция, CaO, в результате получается гашённая известь, Ca(OH)2. Гашённую известь широко применяют в строительной отрасли для изготовления растворов, в качестве сорбента для очистки воды и воздуха, в качестве антисептирующего вещества для защиты от гниения деревянных конструкций зданий, в биотехнологиях при культивировании микроводорослей и др. Также портландит является одним из основных продуктов гидратации портландцемента по результатам взаимодействия основных цементных фаз (алит, белит) с водой [Lothenbach et al., 2008]. Формирование портландита происходит по следующей формуле: 3CaOSiO2(ß-2CaOSiO2)+H2O=C-S-H + Ca(OH)2. При этом портландит, несмотря на то, что он не вносит существенный вклад в прочность цементных композитных материалов, играет важную роль, например, благодаря нему стальные элементы в железобетонных конструкциях практически не подвержены коррозии по причине наличия щелочной среды (pH=12.5-13) формируемой портландитом. Поэтому одной из важных проблем в химии цемента является сохранение портландита в цементном камне при его выщелачивании под воздействием фильтрационных вод и растворов [Henocq et al., 2012].

Эттрингит, в отличие от брусита и портландита, не является минералом, который применяют в различных отраслях человеческой деятельности. Интерес к данному материалу присутствует в химии и физики цемента. Эттрингит является источником сульфатной коррозии бетонов на основе портландцемента [Collepardi, 2003]. Образуется эттрингит при гидратации цементной фазы трехкальциевого алюмината, 3CaOAl2O3, и природного гипса, CaSO42H2O входящих в состав портландцемента. Растворенные ионы трехкальциевого алюмината и природного гипса образуют эттрингит по следующей формуле [Taylor et al., 2001]: 6Ca2++2Al(OH)4-+4OH-+3SO42- +26H2O=Ca6[Al(OH)6]2[SO4]3-26H2O. При этом различают два способа формирования эттрингита: ранее формирование эттрингита [Carmona-Quiroga & Blanco-Varela, 2013] и вторичное формирование эттрингита [Taylor et al., 2001]. Ранее формирование эттрингита в основном оказывает положительный эффект при

твердении портландцемента, так как рост кристаллов эттрингита происходит быстрее по сравнению с ростом продуктов гидратации кальциево-силикатных оксидов (C-S-H и Ca(OH)2), что в свою очередь обеспечивает приемлемую раннюю прочность цементного камня. При воздействии повышенных температур (>70°C), например, при изготовлении бетонных конструкций методом тепловлажностой обработки происходит разрушение первичного эттрингита и затем в процессе эксплуатации этих конструкций может сформироваться вторичный эттрингит [Taylor et al., 2001]. При этом может происходить разрушение цементного камня по причине избыточного давления в нем, вызванное расширением эттрингита при его вторичном образовании. Поэтому вторичное формирование эттрингита оказывает отрицательное воздействие на цементные композитные материалы. Также отрицательное воздействие эттрингита проявляется при дальнейшей эксплуатации конструкций из бетона и железобетона на основе портландцемента, в особенности при их взаимодействии с сульфатными водами. Сульфаты, растворенные в воде, могут проникать внутрь конструкций и возможно также формирование кристаллов эттрингита, что в свою очередь также вызывает увеличение объема новых продуктов, которые разрушают бетон. Такое разрушение цементных композитных материалов называется сульфатная коррозия [Штарк и Вихт, 2004]. Существует несколько способов борьбы с сульфатной коррозией, например, ограничение содержания в портландцементе 3CaOA2O3 или нанесение защитных покрытий на поверхность конструкций и изделий на основе портландцемента подвергнутых воздействию сульфатных вод.

1.3 Экспериментальные методы исследования гидроксидных материалов

На сегодняшний день экспериментальные методы исследования пока остаются основным методом получения достоверной информации о физических и химических свойствах природных и синтетических гидроксидных материалов. По этой причине необходимо привести описание экспериментальных методов. В силу достаточно большего количества экспериментальных методов далее будут приведено описание наиболее значимых из них в рамках настоящего исследования.

Для определения кристаллической структуры гидроксидных материалов наиболее широко применяемым экспериментальным методом является реттеноструктурный анализ. Данный метод позволяет определять атомную структуру вещества, включающую в себя пространственную группу элементарной ячейки, её размеры, сингонию и

группу симметрии кристалла. С точки зрения физики суть метода заключается в дифракции рентгеновских лучей в узлах кристаллической решётки [Фомин, 2014]. Существуют различные методы рентгеноструктурного анализа. Для гирдоксидных материалов в основном применяют метод Дебая — Шеррера. Этот метод позволяет исследовать такие материалы в порошкообразном виде. Для определения направления максимумов дифракции упруго рассеяния на кристалле рентгеновского излучения применяют закон Брегга-Вульфа [К^Ьпап е1 а1., 1979]: 2dsinв = пА, где d - межплоскостное расстояние; в - угол падения рентгеновского луча на материал (брэгговский угол) ; п - порядок дифракционного максимума; А - длина волны. Применение рентгеноструктурного анализа для вышеописанных гидроксидных материалов (брусит, портландит, эттрингит) позволило определить их кристаллографические параметры и свойства.

Кроме рентгеноструктурного анализа для получения информации об атомной структуре вещества, его кристаллографических и физических характеристик применяют также метод нейтронографии. Данный метод основан на дифракции нейтронов на атомах вещества [Брукхауз, 1995]. Метод нейтронографии очень полезен при изучении гидроксидных материалов, так как позволяет более точно, по сравнению с рентгеноструктурным методом, определить положение атомов водорода, которые входят в состав гидроксидов и водосодержащих материалов. Для примера на Рис. 1.1 приведена нейтронограмма для эттрингита [URL:https://www.rruff.info/Ettringite].

Рисунок 1.1. Нейтронограмма эттрингита [URL:https://www.rruff.info/Ettringite]

Для изучения колебаний молекул и связей между атомами в составе в гидроксидных, в том числе водосодержащих материалах применяют спектроскопические методы. Основными спектроскопическими методами для исследований являются инфракрасная и спектроскопии комбинационного рассеяния. Инфракрасная спектроскопия основана на явлении взаимодействия инфракрасного излучения со структурными элементами вещества, а именно,

при пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул и связей между атомами в соединениях ^аткт, 2011]. При пропускании ИК-излучения через вещество происходит ослабление его интенсивности, то есть происходит поглощение части излучения. При этом поглощение происходит не во всем спектре излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в молекулах, входящих в состав исследуемого материала. Длины волн (или частоты), при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах исследуемого материала тех или иных функциональных групп и других фрагментов (связей), что является полезной информацией при установлении структуры соединений ^аткп, 2011]. Спектроскопия комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) основана на явлении неупругого рассеяния монохроматического излучения на молекулах (атомах) исследуемого вещества. При пропускании излучения с определенной длиной волны через исследуемое вещество часть излучения рассеивается и собирается линзой в пучок, который пропускают через световой фильтр, отделяющий рамановские лучи от рэлеевских лучей (упругое рассеивание), рамановские лучи и несут информацию о частотах колебаний молекул и связей между атомами исследуемого вещества ^аткп, 2011]. В спектроскопии комбинационного рассеяния при прохождении излучения происходит изменение поляризуемости связи, в ИК-спектроскопии при прохождении излучения происходит изменение дипольного момента связи - в этом заключается отличие одного метода от другого. При этом оба метода являются полезными для установления структуры соединений, то есть они друг друга дополняют. Для примера на Рис.1.2-1.3 приведены ИК-спектр и рамановский спектр для брусита [URL:https://www.rruíf.info/brucite/display=default ^050455].

0,5

0.4

0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 мгауепитЬег, ст"1

Рисунок 1.2. Инфракрасный спектр брусита [URL:https://www.rruff.info/brucite/display=default/R050455]

300 -

250 -

200 -

1 150-j:

100 -50 -0 -

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Raman Shift, cm"1

Рисунок 1.3. Спектр комбинационного рассеяния брусита [URL:https://www.rruff.info/brucite/display=default/R050455]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тарарушкин Евгений Викторович, 2023 год

Список литературы

Антипова М.Л., Петренко В.Е. Времена жизни водородных связей воды в классической и квантовой молекулярной динамике // Журнал физической химии. -2013. -87(7). -С. 1196.

Балабаев Н.К., Лахно В.Д. О применении методов молекулярной динамики и монте-карло вблизи критических точек // Математическая биология и биоинформатика. -2020. -15(5). -С. 32-34.

Балабаев Н.К., Новаковская Ю.В., Родникова М.Н. Повторяющиеся элементы структуры жидкого моноэтаноламина // Доклады академии наук. -2018. -479(2). -С. 154-157.

Бойнович Л.Б. Дальнодействующие поверхностные силы и их роль в развитии нанотехнологии // Успехи химии. -2007. -76(5). -С.510-528.

Брукхауз Б. Н. Спектроскопия медленных нейтронов и Великий Атлас физического мира // УФН. -1995. -165(12). -С. 1381-1397.

БрыковA.C. Гидратация портландцемента [Текст]: учебное пособие / А.С. Брыков. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2008. - 30 с.

Еремин, Н.Н. Атомистическое компьютерное моделирование кристаллической структуры и свойств минералов, их дефектов и твердых растворов: дис. .. .д-ра хим. наук: 25.00.05. - Москва, 2009. Замалин В. М., Норман Г.Э., Филинов B.C. Метод Монте-Карло в статистической термодинамике. -М. «Наука». 1977. -228 с.

Киселев М.Г. Функции распределения и подвижность молекул в водных растворах (сильно полярных) гетерофункциональных органических веществ по данным молекулярно-динамического эксперимента: диссертация ... кандидата химических наук: 02.00.04. -Иваново, 1988. -113 с.

Киселев М.Г., Пуховский, Ю.П, Ивлев, Д.В. Родникова М.Н. Модуль сдвига сетки водородных связей воды и водного раствора трет-бутанола, рассчитанный по методу молекулярной динамики // Журнал физической химии. -2004. -78(12). -С. 2228-2231.

Киселев М.Г., Сафонова Л. П. Молекулярно-динамическое моделирование BU4N+ в диметилформамиде: объемные изменения при сольватации // Журнал физической химии. -2011. -85(6). -С. 1057-1062. Кон В. Электронная структура вещества - волновые функции и функционалы плотности // УФН. -2002. -172(3). -С. 336-348.

Кондратюк Н.Д., Норман Г.Э., Стегайлов В.В. Микроскопические механизмы диффузии высших алканов // Высокомолекулярные соединения. Серия А -2016. -58(5). -С. 519-531.

Колесников С. В., Салецкий А. М., Докукин С. А., Клавсюк А. Л. Кинетический метод Монте-Карло: математические основы и приложения к физике низкоразмерных наноструктур // Математическое моделирование. -2018. -30(2). -С. 48-80.

Кривобородов, Ю. Р. Сульфатированные тампонажные цементы : диссертация ... доктора технических наук : 05.17.11. - Москва, 2001. - 406 с. : ил.

Крупин С.В., Киселев М.Г. Влияние введения дополнительных зарядовых центров и учета поляризуемости в модели метанола на воспроизведение физико-химических свойств // Журнал физической химии. -2011. -85(11). -С. 2031-2037.

Кубо Р. Статистическая механика. Современный курс с задачами и решениями, составленный при участии Х. Ичимура, Ц. Усуи, Н. Хасизуме. / Пер. с англ. под ред. и с предисл. Д. Н. Зубарева. Изд.2-е, стереотипное. -М.: КомКнига. 2007. -448 с.

Кузнецов Е. А. Краткий курс петрографии (магматических и метаморфических пород): учеб. для гос. ун-тов и втузов / Е. А. Кузнецов. — М.: Издательство Московского университета. 1970. -325 с.

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т. T.III. Квантовая механика (нерелятивистская теория). - 5-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2002. - 808 с.

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: - М.: Наука, 1976. -Т. V. Статистическая физика. Часть I. -584 с.

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. - М.: Наука, 1987. -Т. VII. Теория упругости. -С. 24. -248 с.

Мазо М.А., Маневич Л.И., Балабаев Н.К. Молекулярно-динамическое моделирование структуры и термомеханического поведения кристаллов монтмориллонита // Российские нанотехнологии. -2009. -4(9-10). -С. 118-135.

Маленков Г.Г. Структура водных систем: Модели и численный эксперимент: диссертация ... доктора химических наук : 02.00.04 / Ин-т физ. химии. - Москва, 1990. - 517 с. : ил.

Норман Г.Э., Стегайлов В.В. Стохастическая теория метода классической молекулярной динамики //

Математическое моделирование. -2012. -24(6). -С. 3-44.

Плаченов Т. Г., Колосенцев С. Д. Порометрия / -Л.: Химия, 1988. -175 с.

Рапапорт Д. К. Искусство молекулярной динамики. -М. -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» Ижевский институт компьютерных исследований. 2012. - 632 с.: ил.

Ращенко С.В. Mg3Si4Oio(OH)2-H2O (10Ä фаза) как резервуар H2O в мантийных условиях: образование, структура и стабильность по данным экспериментов in situ: дис. ... канд. геол.-минерал. наук: 25.00.05. -Новосибирск, 2015.

Родникова М.Н., Вальковская Т.М., Бартел Й., Каюмова Д.Б. Об упругости сетки водородных связей в водных растворах диаминов, диолов и аминоспиртов // Журнал физической химии. -2006. -80(3). -С. 568-570. Родникова М.Н., Чумаевский Н.А. О пространственной сетке водородных связей в жидкостях и растворах // Журнал структурной химии. -2006. -47(S7). -С. 154-161.

Самченко, С.В. Структурообразование при твердении сульфатированных цементов : диссертация ... доктора технических наук : 05.17.11. - Москва, 2005. - 409 с. : ил.

Смирнов Г. С., Стегайлов В.В. Как быстрее всего решать задачи квантового и классического атомистического моделирования, используя современное суперкомпьютерное программное и аппаратное обеспечение? // Суперкомпьютерные дни в России. -2015. -Москва, 28-29 сентября. -С. 215-225. ТейлорX. Химия цемента. Пер. с англ. — М.: Мир, 1996. —560 с., ил.

Товбин Ю.К. "Модель решеточного газа" в молекулярно-статистической теории равновесных систем // Журнал физической химии. -2005. -79(12). -С. 2140-2158.

ТытикД. Л. Локальный порядок и динамика в модельных водных системах: диссертация ... кандидата физико-математических наук: 02.00.04. - Москва, 1997. - 109 с.

Фомин Д.В. Экспериментальные методы физики твердого тела: учебное пособие / Д.В. Фомин. -М.-Берлин: Директ-Медиа, 2014.-186 с.

Фомин Ю.Д., Циок Е.Н., Рыжов В.Н. Структура системы сглаженных коллапсирующих сфер в сильном конфайнменте// Коллоидный журнал. -2022. -84. -С. 809-826.

Федосов С.В., Базанов С.М. Сульфатная коррозия бетона. / М. Издательство АСВ, 2003. -192 с. Штарк Й., Вихт Б. Долговечность бетона Пер. с нем. - Киев. : Оранта, 2004. - 295 с.

Шейкин А. Е. Структура, прочность и трещиностойкость цементного камня [Текст]. - [Москва] : [Стройиздат], [1974]. - 191 с. : ил.; 20 см.

Шестак Я. Теория термического анализа: Физико-химические свойства твёрдых неорганических веществ / Пер. с англ. -М.: Мир. 1987. -456 с.

УрусовВ.С., ЕреминН.Н. Атомистическое компьютерное моделирование структуры и свойств неорганических кристаллов и минералов, их дефектов и твердых растворов // М.:ГЕОС. 2012. стр.18-29

Aili I., Maruyama I. Review of several experimental methods for characterization of micro- and nano-scale pores in cement-based material // Int. J. Concr. Struct. Mater. -2020. -14. -55.

Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. 2nd Edition. Oxford University Press: New York. 2017. P. 626.

Antipova M. L., Petrenko V. E., Odintsova E. G., Bogdan T. V. Study of solvation of substituted propylbenzene in ethanol-water solutions under subcritical conditions by molecular dynamics // The Journal of Supercritical Fluids. -2020. -155. -104649.

Basista M., Wqglewski W. Micromechanical modeling of sulphate corrosion in concrete: Influence of ettringite forming reaction // Theoret. Appl. Mech. -2008. -35(1-3). -P. 29-52.

Bauer J.F., Sclar C. B. The "10A phase" in the system MgO-SiO2-H2O // American Mineralogist. -1981. -66(5-6). -P.576-585.

Berendsen H., Grigera J., Straatsma T. The missing term in effective pair potentials // J. Phys. Chem. -1987. -91(24). -P. 6269-6271.

Birch F. Finite strain isotherm and velocities for single-crystal and polycrystalline NaCl at high pressures and 300°K // Journal of Geophysical Research. -1978. -83(B3). -P.1257-1268.

Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. Forces due to dynamic structure in thin liquid films // Advances in Colloid and Interface Science. -2002. -96. -P.37-58.

Boinovich L.B. Molecular structure of liquids and surface forces // Surface and Colloid Science. -2004. -128. -P.44-57. Bordallo H. N., Aldridge L. P., Desmedt, A. Water dynamics in hardened ordinary Portland cement paste or concrete: From quasielastic neutron scattering // The Journal of Physical Chemistry B. -2006. -110(36). -P. 17966-17976. Braterman P. S., Cygan R.T. Vibrational spectroscopy of brucite: A molecular simulation investigation // American Mineralogist. -2006. -91(7). -P.1188-1196.

Brooks B. R., Bruccoleri R. E., Olafson B. D., States D. J., Swaminathan S., Karplus M. CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations // Journal of Computational Chemistry. -1983. -4(2). -P.187-217.

Busing W. R., Levy H. A. Neutron diffraction study of calcium hydroxide // The Journal of Chemical Physics. -1957. -26(3). -P.563-568.

Carmona-Quiroga P.M., Blanco-Varela M.T. Ettringite decomposition in the presence of barium carbonate // Cement and Concrete Research. -2013. -52. -P.140-148.

Catti M., Ferraris G., Hull S., Pavese A. Static compression and H disorder in brucite, Mg(OH)2, to 11 GPa: a powder neutron diffraction study // Phys. Chem. Miner. -1995. -22. -P.200-206.

Chanda J., Bandyopadhyay S. Hydrogen bond lifetime dynamics at the interface of a surfactant monolayer // Journal of Physical Chemistry B. -2006. -110. -P.23443-23449.

Chakoumakos B. C., Loong C.-K., Schultz A. J. Low-temperature structure and dynamics of brucite // J. Phys. Chem. B. -1997. -101. - P.9458-9462.

Chao E.C.T., Fahey J.J., Littler J., Milton D.J. Stishovite, SiO2, a very high pressure new mineral from meteor crater, Arizona // Journal of Geophysical Research. -1962. -67. - P. 419-421.

CholletM., Daniel I., Koga K T., Petitgirard S., Morard G. Dehydration kinetics of talc and 10A phase: Consequences for subduction zone seismicity // Earth and Planetary Science Letters. -2009. -284(1-2). -P. 57-64. Chowdhuri S., Chandra A. Hydrogen bonds in aqueous electrolyte solutions: Statistics and dynamics based on both geometric and energetic criteria // Physical Review E. -2002. -66(4). -041203.

Clark S. M., Colas B., KunzM., Speziale S., Monteiro P. J. M. Effect of pressure on the crystal structure of ettringite // Cement and Concrete Research. -2008. -38(1). -P. 19-26.

Claverie J., BernardF., Cordeiro J. M. M., Kamali-BernardS. Water's behaviour on Ca-rich tricalcium silicate surfaces for various degrees of hydration: A molecular dynamics investigation // Journal of Physics and Chemistry of Solids. -2019. -132. -P.48-55.

Claverie J., Kamali-Bernarda S., Cordeiro J. M. M., Bernarda F. Assessment of mechanical, thermal properties and crystal shapes of monoclinic tricalcium silicate from atomistic simulations // Cement and concrete research. -2021. -140. -106269.

Cody A.M., Lee H., Cody R.D., Spry P. G. The effects of chemical environment on the nucleation, growth, and stability of ettringite [Ca3Al(OH)6MSO4V26H2O // Cement and concrete research. -2004. -34. - P.869-881. Collepardi M. A state-of-the-art review on delayed ettringite attack on concrete // Cement and Concrete Composites. -2003. -25. - P.401-407.

Comodi P., Cera F., Dubrovinsky L., Nazzareni S. The high-pressure behaviour of the 10 A phase: A spectroscopic and diffractometric study up to 42 GPa // Earth and Planetary Science Letters. -2006. -246(3-4). - P.444-457. Comodi P., Fumagalli P., Nazzareni S., Zanazzi P.F. The 10 A phase: Crystal structure from single-crystal X-ray data // American Mineralogist. -2005. -90. - P.1012-1016.

Clark S.M., Colas B., Kunz M., Speziale S., Monteiro P.J.M. Effect of pressure on the crystal structure of ettringite // Cement and concrete research. -2008. -38. - P. 19-26.

CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th ed. / Lide D. R. Ed. CRC Press. 2004.

Cudennec Y., Lecerf A. The transformation of Cu(OH)2 into CuO, revisited // Solid State Sciences. -2003. -5(11-12). -P.1471-1474.

Cygan R.T., Greathouse J.A., Kalinichev A.G. Advances in Clayff molecular simulation of layered and nanoporous materials and their aqueous interfaces // J. Phys. Chem. B. -2021. -125. -P. 17573-17589.

Cygan R.T., Liang J.-J., Kalinichev A. G. Molecular models of hydroxide, oxyhydroxide, and clay phases and the development of a general force field // J. Phys. Chem. B. -2004. -108. - P. 1255-1266.

De Oliveira E.F., Hase Y. Infrared study and isotopic effect of magnesium hydroxide // Vibrational Spectroscopy. -2001. -25(1). - P.53-56.

Desgranges L., Calvarin G., Chevrier G. Interlayer interactions in M(OH)2: a neutron diffraction study of Mg(OH)2. Acta Crystallographica Section B Structural Science. -1996. -52(1). -P.82-86.

Desgranges L., Grebille, D., Calvarin G., Floquet N., Niepce, J. C. (1991). Structural transformations preparing the dehydration of Ca(OH)2 // Phase Transitions. -1991. -31(1-4). -P.283-286.

Duffy T. S., Meade C., Fei Y., Mao H.-K., Hemley R.J. High-pressure phase transition in brucite, Mg(OH)2 // American Mineralogist. -1995a. -80(3-4). -P.222-230.

Duffy T., Shu J., Mao H., Hemley R. Single-crystal x-ray diffraction of brucite to 14 GPa // Physics and Chemistry of Minerals. -1995b. -22(5). -P.277-281.

Dupuis R., Dolado J. S., Benoit M., Surga J., Ayuela A. Quantum nuclear dynamics of protons within layered hydroxides at high pressure // Scientific Reports. -2017. -7. -4842.

Ekinci H., Dey R. K., Cui B. Two-step potassium hydroxide etching to enhance aspect ratio in trench fabrication // Journal of Vacuum Science & Technology B. -2019. -37(6). -062001.

Emelyanenko K A., Emelyanenko A.M., Boinovich L. B. Van der Waals forces in free and wetting liquid films // Advances in Colloid and Interface Science. -2019. -269. -P.357-369.

Endo H., Endo Y. Spectral analysis of the velocity autocorrelation function of a model liquid // Progress of Theoretical Physics. -1979. -61(6). - P. 1569-1583.

Evans D. J., Holian B. L. The Nose-Hoover thermostat // The Journal of Chemical Physics. -1985. -83. -4069. Fedotova M.V., Kruchinin S.E., Chuev G.N. Molecular insight on ion hydration and association in aqueous choline chloride solutions // Journal of Molecular Liquids. -2020. -313. -113563.

Fei Y., Mao H.-K. Static Compression of Mg(OH)2 to 78 GPa at high temperature and constraints on the equation of

state of fluid H2O // Journal of Geophysical Research. -1993. -98(B7). -P.11875-11884.

Frenkel D., SmitB. Understanding molecular simulation. 2nd Edition. -Academic Press. 2001. -664 p.

Frost R.L., Lopez A., Xi Y., Scholz R, da Costa G.M., Lima R.M.F., Granja A. The spectroscopic characterization of the

sulphate mineral ettringite from kuruman manganese deposits, South Africa // Vib. Spectrosc. -2013. -68. -P.266-271.

Fukui H., Ohtaka O., Fujisawa T., Kunisada T., Suzuki T., Kikegawa T. Thermo-elastic property of Ca(OH)2 portlandite

// High Pressure Research. -2003a. -23(1-2). -P.55-61.

Fukui H., Ohtaka O., Suzuki T., Funakoshi K Thermal expansion of Mg(OH)2 brucite under high pressure and pressure dependence of entropy // Physics and Chemistry of Minerals. -2003b. -30. -P.511-516.

Fumagalli P. Stixrude L, Poli S, Snyder D. The 10A phase: a high-pressure expandable sheet silicate stable during subduction of hydrated lithosphere // Earth and Planetary Science Letters. -2001. -186(2). -P. 125-141. Fumagalli P., Stixrude L. The 10 A phase at high pressure by first principles calculations and implications for the petrology of subduction zones // Earth and Planetary Science Letters. -2007. -260(1-2). -P.212-226.

Galib M., Baer M. D., Skinner L. B., Mundy C. J., Huthwelker T., Schenter G. K., ... Fulton, J. L. Revisiting the

hydration structure of aqueous Na+ // The Journal of Chemical Physics. -2017. -146(8). -084504.

Galmarini S., Aimable A., Ruffray N., Bowen, P. (2011). Changes in portlandite morphology with solvent composition:

Atomistic simulations and experiment // Cement and Concrete Research. -2011. -41(12). -P. 1330-1338.

Galmarini S., Bowen P. (2016). Atomistic simulation of the adsorption of calcium and hydroxyl ions onto portlandite

surfaces — towards crystal growth mechanisms // Cement and Concrete Research. -2016. -81. -P. 16-23.

Gatta G. D., Halenius U., Bosi F., Cañadillas-Delgado L., Fernandez-Diaz M. T. Minerals in cement chemistry: A

single-crystal neutron diffraction study of ettringite, Ca6Al2(SO4)3(OH)i227H2O // American Mineralogist. -2019. -

104(1). - P.73-78.

GardehM. G., Kistanov A. A., Nguyen H., Manzano H., Cao W., andKinnunen P. Exploring Mechanisms of Hydration and Carbonation of MgO and Mg(OH)2 in Reactive Magnesium Oxide-Based Cements // J. Phys. Chem. C. -2022. -126(14). -P.6196-6206.

Goedecker S., Teter M., Hutter J. Separable dual-space Gaussian pseudopotentials // Phys. Rev. -1995. -54(3). -P. 1703-1710.

Goetz-Neunhoeffer F., Neubauer J. Refined ettringite (CaeAl2(SO4)3)(OH)i2 26H2O structure for quantitative X-ray diffraction analysis // Powder Diffraction. -2006. -21(1). -P.4-11.

Gomez-Villalba L. S., Sierra-Fernandez A., Milosevic O., Fort R., Rabanal, M. E. Atomic scale study of the dehydration/structural transformation in micro and nanostructured brucite (Mg(OH)2) particles: Influence of the hydrothermal synthesis conditions // Advanced Powder Technology. -2017. -28(1). -P.61-72.

Greathouse J. A., Durkin J. S., Larentzos J. P., Cygan R. T. Implementation of a Morse potential to model hydroxyl behavior in phyllosilicates // The Journal of Chemical Physics. -2009. -130(13). -134713.

Habershon S., Markland T. E., Manolopoulos D. E. Competing quantum effects in the dynamics of a flexible water model // The Journal of Chemical Physics. -2009. -131(2). -024501.

Hajilar S., Shafei B. Atomic-scale investigation of physical adsorption of water molecules and aggressive ions to ettringite's surfaces // J. Colloid Interface Sci. -2018. -513. -P. 104-116.

Hartman M.R., Berliner R Investigation of the structure of ettringite by time-of-flight neutron powder diffraction techniques // Cement and Concrete Research. -2006. -36. -P.364-370.

Heinz H., Lin T.J., Kishore Mishra R., Emami F. S. Thermodynamically consistent force fields for the assembly of inorganic, organic, and biological nanostructures: The INTERFACE force field // Langmuir. -2013. -29(6). -P.1754-1756.

Hermann A., Mookherjee, M. (2016). High-pressure phase of brucite stable at Earth's mantle transition zone and lower mantle conditions. Proceedings of the National Academy of Sciences. -2016. -113(49). -P. 13971-13976. Henderson D. M., Gutowsky H. S. A nuclear magnetic resonance determination of the hydrogen positions in Ca(OH)2, T = -190 oC // American Mineralogist. -1962. -47. -P.1231-1251.

Henocq P., Samson E., Marchand J. Portlandite content and ionic transport properties of hydrated C3S pastes //Cement and Concrete Research. -2012. -42(2). - P.321-326.

Hinchliffe A. Molecular modeling for beginners. -John Wiley & Sons Ltd. 2003. -428 p.

HohenbergP., Kohn W. Inhomogeneous electron gas. // Physical Review. -1964. -136(3B). - P.864-871.

Honorio T., Guerra P. & Bourdot A. Molecular simulation of the structure and elastic properties of ettringite and monosulfoaluminate // Cement and Concrete Research. -2020a. -135. -106126.

Hoover W. G. Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions // Physical Review A. -1985. -31(3). -P.1695-1697.

Horita J., dos Santos, A. M., Tulk C. A., Chakoumakos B. C., Polyakov V. B. (2010). High-pressure neutron diffraction study on H-D isotope effects in brucite // Physics and Chemistry of Minerals. -2010. -37(10). -P.741-749. Jackson I., Rigden S. M. Analysis of P-V-T data: constraints on the thermoelastic properties of high-pressure minerals // Physics of the Earth and Planetary Interiors. -1996. -96(2-3). -P.85-112.

Jiang F., Speziale S., Duffy T. S. (2006). Single-crystal elasticity of brucite, Mg(OH)2, to 15 GPa by Brillouin scattering // American Mineralogist. -2006. -91(11-12). -P.1893-1900.

Jones J. E. On the determination of molecular fields. I. From the variation of the viscosity of a gas with temperature // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. -1924. -106(738). -P.441-462. Iizuka R., Yagi T., Komatsu K., Gotou H., Tsuchiya T., Kusaba K., Kagi H. Crystal structure of the high-pressure phase of calcium hydroxide, portlandite: In situ powder and single-crystal X-ray diffraction study // American Mineralogist. -2013. -98. -P.1421-1428.

Irish D. E., Thorpe R. V. Raman spectral studies of cadmium-nitrite interactions in aqueous solutions and crystals / Canadian Journal of Chemistry. -1975. -53(10). -P. 1414-1423.

Kaiping L., Hewei C., Jing'en Z. Investigation of brucite-fiber-reinforced concrete // Cement and Concrete Research. -2004. -34(11). -P. 1981-1986.

Kalinichev A. G. Molecular simulations of liquid and supercritical water: Thermodynamics, structure, and hydrogen bonding // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. -2001. -42(1). - P. 83-129.

Kalinichev A.G., Kirkpatrick R.J. Molecular dynamics modeling of chloride binding to the surfaces of calcium hydroxide, hydrated calcium aluminate, and calcium silicate phases // Chem. Mater. -2002. -14(8). - P.3539-3549. Katsura T., Tange Y. A simple derivation of the Birch-Murnaghan equations of state (EOSs) and comparison with EOSs derived from other definitions of finite strain // Minerals. -2019. -9(12). -745.

Khisina N. R., Wirth R. Nanoinclusions of high-pressure hydrous silicate, Mg3Si4O10(OH)2nH2O (10A-phase), in mantle olivine: Mechanisms of formation and transformation // Geochemistry International. -2008. -46(4). -P.319-327. Kohn W., Sham L. J. Self-consistent equations including exchange and correlation effects // Physical Review. -1965. -140(4A). - P.A1133-A1138.

Kondratyuk N., Lenev D., Pisarev, V. Transport coefficients of model lubricants up to 400 MPa from molecular dynamics // The Journal of Chemical Physics. -2020. -152(19). -191104.

Kondratyuk N. D., Pisarev V. V. Predicting shear viscosity of 1,1-diphenylethane at high pressures by molecular dynamics methods // Fluid Phase Equilibria. -2021. -544-545. -113100.

Krishnan R.S., Srinivasan R., & Devanarayanan S. Thermal expansion of crystals //Pergamon Press. 1979. -316 p. Kristof T., Sarkadi Z., Hato Z, & Rutkai G. Simulation study of intercalation complexes of kaolinite with simple amides as primary intercalation reagents // Computational Materials Science. -2018. -143. -P. 118-125. Kruger M. B., Williams Q., Jeanloz R. Vibrational spectra of Mg(OH)2 and Ca(OH)2 under pressure. The Journal of Chemical Physics. -1989. -91(10). -P. 5910-5915.

Krynicki K., Green C. D., Sawyer D. W. Pressure and temperature dependence of self-diffusion in water // Faraday Discussions of the Chemical Society. -1978. -66. -P. 199-208.

Kühne T.D., Iannuzzi M., Del Ben M., Rybkin V. V., Seewald P., Stein F., Laino T. ... Hutter J. (2020). CP2K: An electronic structure and molecular dynamics software package - Quickstep: Efficient and accurate electronic structure calculations // The Journal of Chemical Physics. -2020. -152(19). -194103.

Laage D., Stirnemann G., Sterpone F., Rey R., Hynes J. T. Reorientation and allied dynamics in water and aqueous solutions // Annual Review of Physical Chemistry. -2011. -62(1). -P. 395-416.

LAMMPSDocumentation. URL: https://lammps.sandia.gov/doc/Manual.html (дата обращения: 03.08.2020). Larkin P. J. Infrared and Raman spectroscopy: principles and spectral interpretation. - Elsevier. 2011. -230 p. Lee J. G. Computational materials science. An introduction. -CRC Press. 2012. -280 p.

Lehmann J. Über den ettringit, ein neues mineral, in Kalkeinschlüssen der Lava von Ettringen (Laacher Gebiet) // N. Jb. Mineral. Geol. Paläont. -1874. -P.273-275.

Li Y., Zhang Y., Chen F., Yang C., Zhang Y. (2011). Polymorphic transformation of aluminum hydroxide precipitated from reactive NaAl(OH)4-NaHCO3 solution // Crystal Growth & Design. -2011. -11(4). -P. 1208-1214. Liu L., Jaramillo-Botero A., Goddard W. A., Sun H. Development of a ReaxFF reactive force field for ettringite and study of its mechanical failure modes from reactive dynamics simulations // The Journal of Physical Chemistry A. -2012. -116(15). -P. 3918-395.

Liu Y., Shi X. (2010). Molecular dynamics study of interaction between corrosion inhibitors, nanoparticles, and other minerals in hydrated cement // Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. -2010. -2142(1). -P. 58-66.

Lopes P. E. M., Murashov V., Tazi M., DemchukE., MacKerell A. D. Development of an empirical force field for silica. Application to the quartz-water interface // The Journal of Physical Chemistry B. -2006. -110(6). - P. 2782-2792. Lothenbach B., Le Saout G. Gallucci, E., Scrivener K Influence of limestone on the hydration of Portland cements // Cement and Concrete Research. -2008. -38(6). -P. 848-860.

Lutz H. D., Möller H., Schmidt M. Lattice vibration spectra. Part LXXXII. Brucite-type hydroxides M(OH)2 (M = Ca, Mn, Co, Fe, Cd) - IR and Raman spectra, neutron diffraction of Fe(OH)2 // Journal of Molecular Structure. -1994. -328. -P.121-132.

Ma M., Liu W., Chen Z, Liu Z, Li B. Compression and structure of brucite to 31 GPa from synchrotron X-ray diffraction and infrared spectroscopy studies // American Mineralogist. - 2013. -98. -P. 33-40.

Mackay D. H. J., Cross A. J., Hagler, A. T. The role of energy minimization in simulation strategies of biomolecular systems. Prediction of protein structure and the principles of protein conformation. -Plenum Press. New York. 1989. -P. 317-359.

Manzano H., Ayuela A., Telesca A., Monteiro P. J. M., Dolado J. S. Ettringite strengthening at high pressures induced by the densification of the hydrogen bond network // The Journal of Physical Chemistry C. -2012. -116(30). -P. 16138-16143.

Maréchal Y. IR spectroscopy of an exceptional H-bonded liquid: water // Journal of Molecular Structure. -1994. -322. -P. 105-111.

Martonak R., Donadio D., Oganov A. R., Parrinello M. Crystal structure transformations in SiO2 from classical and ab initio metadynamics // Nature Materials. - 2006. -5. -P. 623-626.

Martyna G. J., Tobias D. J., Klein M. L. Constant pressure molecular dynamics algorithms // The Journal of Chemical Physics. - 1994. -101(5). -P. 4177-4189.

Mazo M. A., Manevitch L. I., Gusarova E. B., ShamaevM. Y., Berlin A. A., Balabaev N. K., Rutledge G.C. Molecular dynamics simulation of thermomechanical properties of montmorillonite crystal. 1. Isolated clay nanoplate // The Journal of Physical Chemistry B. -2008a. -112(10). - P. 2964-2969.

Mazo M. A., Manevitch L. I., Gusarova E. B., Berlin A. A., Balabaev N. K., & Rutledge G. C. Molecular dynamics simulation of thermomechanical properties of montmorillonite crystal. II. Hydrated montmorillonite crystal // The Journal of Physical Chemistry C. -2008b. -112(44). - P. 17056-17062.

Metropolis N., Rosenbluth A. W., Rosenbluth M. N., Teller A. H., Teller, E. Equation of state calculations by fast computing machines // The Journal of Chemical Physics. -1953. -21(6). - P. 1087-1092.

Mitev P. D., Gajewski G., Hermansson K. Anharmonic OH vibrations in brucite: Small pressure-induced redshift in the range 0-22 GPa // American Mineralogist. -2009. -94(11-12). - P.1687-1697.

Mishra R. K., Mohamed A. K., Geissbuhler D., Manzano H., Jamil T., Shahsavari R., Kalinichev A. G., Galmarini S., Tao L., Heinz H., Pellenq R., van Duin A.C.T., Parker S. C., Flatt R. J., Bowen P. cemff: A force field database for cementitious materials including validations, applications and opportunities // Cement and Concrete Research. -2017. -102. -P. 68-89.

Mookherjee M., Stixrude L. High-pressure proton disorder in brucite // American Mineralogist. -2006. -91(1). -P. 127134.

Moore A., Taylor H. F. W. (1968). Crystal structure of ettringite // Nature. -1968. -218(5146). -P. 1048-1049. Moore A.E., TaylorH.F. W. Crystal structure of ettringite // Acta Crystallographica. -1970. -B26. - P. 386-393. Moreira F. K V., Pedro D. C. A., Glenn G. M., Marconcini J. M., Mattoso, L. H. C. Brucite nanoplates reinforced starch bionanocomposites // Carbohydrate Polymers. -2013. -92(2). - P. 1743-1751.

Mulliken R. S. Electronic population analysis on LCAOMO molecular wave functions // J. Chem. Phys. -1955. -23. -P.1833-1840.

Murnaghan F. D. The Compressibility of Media under Extreme Pressures // Proceedings of the National Academy of Sciences. -1944. -30(9). -P. 244-247.

Mutisya S. M., de Almeida J. M., Miranda C. R. Molecular simulations of cement based materials: A comparison between first principles and classical force field calculations // Computational Materials Science. -2017. -138. -P. 392402.

Mutisya S.M., Kalinichev A. G. Carbonation reaction mechanisms of portlandite predicted from enhanced Ab Initio molecular dynamics simulations // Minerals. -2021. -11. -509.

Nagai T., Ito T., Hattori T., Yamanaka T. Compression mechanism and amorphization of portlandite, Ca(OH)2: structural refinement under pressure // Physics and Chemistry of Minerals. -2000. -27. -P.462-466. Ngouana B. F. W., & Kalinichev A. G. Structural arrangements of isomorphic substitutions in smectites: molecular simulation of the swelling properties, interlayer structure, and dynamics of hydrated Cs-montmorillonite revisited with new clay models // J. Phys. Chemistry C. -2014. -118(24). -P. 12758.

Nose S. A unified formulation of the constant temperature molecular dynamics methods // The Journal of Chemical Physics. -1984. -81(1). -P. 511-519.

Nye J. F. Physical properties of crystals: Their representation by tensors and matrices. -Oxford University Press. 1985. -347 p.

Oganov A.R., Glass C. W. (2006) Crystal structure prediction using evolutionary algorithms: principles and applications // J. Chem. Phys. -2006. -124. -244704.

Ohkubo T., Ohnishi R., Sarou-Kanian V., Bessada C., Iwadate Y. Molecular dynamics simulations of the thermal and transport properties of molten NaNO2-NaNO3 systems // Electrochemistry. -2018. -86(2). -P.104-108. Rachel C. The microscope revolution that's sweeping through materials science // Nature. - 2018. -563. -P. 462-464. Rahman A., Stillinger F. H. (1971). Molecular dynamics study of liquid water // The Journal of Chemical Physics. -1971. -55(7). -P.3336-3359.

Rashchenko S.V., Likhacheva A. Yu., Goryainov S. V., Krylov A. S., LitasovK. D. In situ spectroscopic study of water intercalation into talc: New features of 10 Ä phase formation // American Mineralogist. -2016. -101. -P.431-436. Parise J.B., Leinenweber K., Weidner D.J., Tan K., Von Dreele R.B. Pressure-induced H bonding; neutron diffraction study of brucite, Mg(OD)2 // American Mineralogist. -1994. -79. -P. 193-196.

Pawley A. R., Redfern S. A. T., Wood B. J. Thermal expansivities and compressibilities of hydrous phases in the system MgO-SiO2-H2O: talc, phase A and 10-Ä phase // Contributions to Mineralogy and Petrology. -1995. -122(3). -P.301-307.

Pawley A. RWelch M. D., Lennie A. R., Jones R L. (2010). Volume behavior of the 10 A phase at high pressures and temperatures, with implications for H2O content // American Mineralogist. -2010. -95(11-12). -P. 1671-1678. Pawley A. R., Welch M. D. (2014). Further complexities of the 10Ä phase revealed by infrared spectroscopy and X-ray diffraction // American Mineralogist. -2014. -94(4). -P.712-719.

Redfern S.A.T. & Wood B.J. Thermal expansion of brucite, Mg(OH)2 // American Mineralogist. -1992. -77. -P.1129-1132.

Richards L. A., Schäfer A. I., Richards B. S., Corry B. (2012). The Importance of Dehydration in Determining Ion Transport in Narrow Pores // Small. -2012. -8(11). -P. 1701-1709.

Pistorius C. W. F. T. Thermal decomposition of portlandite and xonotlite to high pressures and temperatures // American Journal of Science. -1963. -261(1). -P.79-87.

Phillips B. L., Mason H. E., Guggenheim S. Hydrogen bonded silanols in the 10 A phase: Evidence from NMR spectroscopy // American Mineralogist. -2007. -92(8-9). -P. 1474-1485.

Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // Journal of Computational Physics. -1995. -117(1). -P. 1-19.

Poon B., Rittel D., Ravichandran G. An analysis of nanoindentation in linearly elastic solids // International Journal of Solids and Structures. -2008. -45(24). -P.6018-6033.

Pouvreau M., Greathouse J. A., Cygan R T., Kalinichev A. G. Structure of hydrated gibbsite and brucite edge surfaces: DFT results and further development of the ClayFF classical force field with metal-O-H angle bending terms // The Journal of Physical Chemistry C. -2017. -121(27). -P.14757-14771.

Pouvreau M., Greathouse J. A., Cygan R T., Kalinichev A. G. Structure of hydrated kaolinite edge surfaces: DFT results and further development of the ClayFF classical force field with metal-O-H angle bending terms // The Journal of Physical Chemistry C. -2019. -123(18). - P.11628-11638.

Salah Uddin, K.M., Izadifar M., Ukrainczyk N., Koenders E., Middendorf B. Dissolution of portlandite in pure water: Part 1 molecular dynamics (MD) approach // Materials. -2022. -15. -1404.

Sarkar P. K., Mitra N., Prasad D. Molecular level deformation mechanism of ettringite // Cement and Concrete Research. -2019. -124. -105836.

Schaack S., Depondt P., Huppert S., Finocchi F. Quantum driven proton diffusion in brucite-like minerals under high pressure // Scientific Reports. -2020. -10(1). -8123.

Scholtzova E., Tunega D., Speziale S. (2015a). Mechanical properties of ettringite and thaumasite—DFT and experimental study // Cement and Concrete Research. -2015a. -77. - P.9-15.

Scholtzova E., Kuckova L., Kozisek J., Tunega D. Structural and spectroscopic characterization of ettringite mineral -combined DFT and experimental study // Journal of Molecular Structure. -2015b. -1100. - P.215-224. Senftle T.P., Hong S., Islam M.M., Kylasa S. B., Zheng Y., Shin Y. K., Junkermeier C., Engel-Herbert R, JanikM. J., Aktulga H. M., Verstraelen T., Grama A., van Duin A. C. T. The ReaxFF reactive force-field: development, applications and future directions // Npj Computational Materials. -2016. -2(1). -15011.

Smirnov G., Stegailov V. Formation free energies of point defects and thermal expansion of bcc U and Mo // Journal of Physics: Condensed Matter. -2019. -31. -235704.

Sharma R, McKelvy M. J., Bearat H., Chizmeshya A. V. G., Carpenter R W. In-situnanoscale observations of the Mg(OH)2 dehydroxylation and rehydroxylation mechanisms // Philosophical Magazine. -2004. -84(25-26). -P. 27112729.

Schlegel H.B. Optimization of equilibrium geometries and transition structures // J. Comp. Chem. -1982. -3. -P. 214218.

Shinoda W., Shiga M. & Mikami M. Rapid estimation of elastic constants by molecular dynamics simulation under constant stress // Physical Review B. -2004. -69(13). - P. 134103.

StishovS.M., PopovaS.V. A new dense modification of silica // Geokhimiya. -1961. -10. - P.837-839.

Speziale S., Jiang F., Mao Z, Monteiro P. J. M., WenkH.-R, Duffy T. S., Schilling F. R. Single-crystal elastic constants

of natural ettringite // Cement and Concrete Research. -2008. -38(7). -P.885-889.

Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. -2009. -18(1). -015012.

Sun W., Wang D., Wang L., Molecular dynamic simulation of failure of ettringite // J. Phys. Conf. Ser. -2013. -419. -012011.

Szczerba M., Kuligiewicz A., Derkowski A., Gionis V., Chryssikos G., Kalinichev A. Structure and dynamics of water— smectite interfaces: hydrogen bonding and the origin of the sharp O-DW/O-HW infrared band from molecular simulations // Clays and Clay Minerals. -2016. -64(4). -P.452-471.

Tang Z.-K., Liu W.-W., Zhang D.-Y, Lau W.-M., Liu L.-M. Tunable band gap and magnetism of the two-dimensional nickel hydroxide // RSC Advances. -2015. -5(94). -P.77154-77158.

TaylorH.F.W., Famy C., ScrivenerK.L. Delayed ettringite formation // Cement and Concrete Research. -2001. -31. -P.683-693.

Tominaga Y., Fujiwara A., Amo Y. Dynamical structure of water by Raman spectroscopy // Fluid Phase Equilibria. -1998. -144(1-2). -P.323-330.

Timofeeva M. N., Kapustin A. E., Panchenko V. N., Butenko E. O., Krupskaya V. V., Gil A., Vicente M. A. Synthetic and natural materials with the brucite-like layers as high active catalyst for synthesis of 1-methoxy-2-propanol from methanol and propylene oxide // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. -2016. -423. -P.22-30. Ugliengo P., Zicovich-Wilson C. M., Tosoni S., Civalleri, B. (2009). Role of dispersive interactions in layered materials: a periodic B3LYP and B3LYP-D* study of Mg(OH)2, Ca(OH)2 and kaolinite // Journal of Materials Chemistry. -2009. -19(17). -P.2564-2572.

Ulian G., Valdre G. Equation of state and second-order elastic constants of portlandite Ca(OH)2 and brucite Mg(OH)2 // Physics and Chemistry of Minerals. -2018. -46. -P.101-117.

Unluer C., Al-Tabbaa A. The role of brucite, ground granulated blastfurnace slag, and magnesium silicates in the carbonation and performance of MgO cements // Construction and Building Materials. -2015. -94. -P.629-643. VandeVondele J., KrackM., MohamedF., Parrinello M., Chassaing T., Hutter J. Quickstep: Fast and accurate density functional calculations using a mixed Gaussian and plane waves approach // Computer Physics Communications. -2005. -167(2). -P.103-128.

Vchirawongkwin S., Kritayakornupong C., Tongraar A., Vchirawongkwin V. Hydration properties determining the reactivity of nitrite in aqueous solution // Dalton Trans. -2014. -43(32). -P.12164-12174.

Verlet L. Computer "Experiments" on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules // Physical Review. -1967. -159(1). -P.98-103.

VerletL. Computer "Experiments" on classical fluids. II. Equilibrium correlation functions // Physical Review. -1968. -165(1). -P.201-214.

Vollpracht A., Lothenbac, B., Snellings R., Haufe J. The pore solution of blended cements: a review // Materials and Structures. -2015. -49(8). -P.3341-3367.

Wang J., Kalinichev A.G., Kirkpatrick R J. Molecular modeling of the 10-Ä phase at subduction zone conditions // Earth and Planetary Science Letters. -2004a. -222. -P.517-527.

Wang J., Kalinichev A.G., Kirkpatrick R J. Molecular modeling of water structure in nano-pores between brucite (001) surfaces // Geochimica et Cosmochimica Acta. -2004b. -68(16). -P.3351-3365.

Wang J., Kalinichev A.G., Kirkpatrick R.J. Structure and decompression melting of a novel, high-pressure nanoconfined 2-d ice // J. Phys. Chem. B. -2005. -109. -P.14308-14313.

Wang M., Orr A. A., He S., Dalaijamts C., Chiu W. A., Tamamis P., Phillips T. D. Montmorillonites can tightly bind glyphosate and paraquat reducing toxin exposures and toxicity // ACS Omega. -2019. -4(18). -P. 17702-17713. Weckler B., Lutz H. D. Near-infrared spectra of M(OH)Cl (M = Ca, Cd, Sr), Zn(OH)F, y-Cd(OH)2, Sr(OH)2, and brucite-type hydroxides M(OH)2 (M = Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cd) // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. -1996. -52(11). -P.1507-1513.

Welch M. D., Pawley A. R., Ashbrook S. E., Mason H. E., Phillips B. L. Si vacancies in the 10-Ä phase // American Mineralogist. -2006. -91(10). -P.1707-1710.

Wunder B, Schreyer W. Metastability of the 10-A Phase in the System MgO-SiO2-H2O (MSH). What about Hydrous MSH Phases in Subduction Zones? // Journal of Petrology. -1992. -33(4). -P.877-889.

Xia, X., Weidner, D. J., & Zhao, H. (1998). Equation of state of brucite; single-crystal Brillouin spectroscopy study and polycrystalline pressure-volume-temperature measurement. American Mineralogist. -1998. -83(1-2). -P.68-74. Xu H., Zhao Y., Hickmott D. D., Lane N. J., Vogel S. C., Zhang J., Daemen L. L. High-temperature neutron diffraction study of deuterated brucite // Physics and Chemistry of Minerals. -2013. -40(10). -P.799-810.

Yadav S., Chandra A. Solvation shell of the nitrite ion in water: An Ab Initio molecular dynamics study // The Journal of Physical Chemistry B. -2020. -124. -P.7194-7204.

Yamamoto K., Akimoto S. The system MgO-SiO2-H2O at high pressures and temperatures; stability field for hydroxyl-chondrodite, hydroxyl-clinohumite and 10A-phase // American Journal of Science. -1977. -277(3). -P.288-312. Zanazzi P. F., Comodi P., Nazzareni S., Rotiroti N. van Behavior of 10-A phase at low temperatures // Physics and Chemistry of Minerals. -2006. -34(1). -P.23-29.

Zamalin V. M., Norman G. E. The Monte-Carlo method in Feynman's formulation of quantum statistics // USSR Computational Mathematics and Mathematical Physics. -1973. -13(2). - P.169-183.

Zeitler T. R., Greathouse J. A., Gale, J. D., Cygan, R. T. Vibrational analysis of brucite surfaces and the development of an improved force field for molecular simulation of interfaces // The Journal of Physical Chemistry C. -2014. -118(15). -P.7946-7953.

Zhang Y., Qi Y., Li, J. Aluminum mineral processing and metallurgy: Iron-rich bauxite and bayer red muds. Chapter in Aluminium Alloys and Composites. -2020. -P. 182.

Zhen S., Davies G. J. Calculation of the Lennard-Jones n-m potential energy parameters for metals // Physica Status Solidi (a). -1983. -78(2). -P.595-605.

Zhu X., Guo X., Smyth J. R., Ye Y., Wang X., Liu D. High-temperature vibrational spectra between Mg(OH)2 and Mg(OD)2: Anharmonic contribution to thermodynamics and D/H fractionation for brucite // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. -2019. -124(8). -P.8267-8280.

Zubeltzu J., Artacho J. Simulations of water nano-confined between corrugated planes // J. Chem. Phys. -2017. -147. -194509.

Zykova-Timan T., Ceresoli D., Tartaglino U., Tosatti E. Physics of solid and liquid alkali halide surfaces near the melting point // The Journal of Chemical Physics. -2005. -123(16). -164701.