Teoría del Funcional de la Densidad en cristales de silicato de potasio. Aplicación al cálculo de propiedades mecánicas y microdureza Vickers en vidrios

Resumen En este trabajo se presenta un estudio en el que se aplica la teoria funcional de densidad (DFT), utilizando el software CASTEP, para cristales de silicato (K2SiO3, K2Si2O5 y K2Si4O9) y de oxido de silicio (cuarzo). La densidad de estados (DOS) de estos silicatos muestra que los dos tipos de atomos de oxigeno, puente (BO) y no puente (NBO), tienen una distribucion electronica significativamente diferente en los orbitales 2p y 2s, debido a un ambiente quimico inmediato diferente. Esto lleva a un desplazamiento a energias menores de las bandas de valencia s y p de la densidad de estados parcial (PDOS) del NBO de alrededor de 2 eV respecto de la PDOS del BO. En el cristal de menor contenido en K2O (K2Si4O9), se incrementan los enlaces covalentes Si-O debido a la transferencia de carga electronica del orbital 4s del atomo de potasio al NBO, y de este NBO al atomo de silicio y, finalmente, a todos los atomos del tetraedro, lo que permite mejorar la fuerza de enlace del sistema. Este hecho resulta en que el material final tenga una mayor resistencia mecanica. Por otro lado, en el K2Si2O5 (el cual posee un NBO por tetraedro) el enlace Si-O es mas debil con respecto al del K2Si4O9, tendencia que se acentua en el K2SiO3 (que posee dos NBO por tetraedro). Esta misma tendencia sigue la dureza Vickers calculada teoricamente. Este estudio se ha aplicado a vidrios de silicato de potasio obtenidos experimentalmente y se han comparado varias propiedades mecanicas con las teoricas de los respectivos cristales de igual composicion quimica. Los NBO tanto de cristales como de vidrios se han cuantificado a partir de las unidades estructurales Qn. Se ha observado que las propiedades mecanicas de los vidrios no pueden ser explicadas unicamente por las contribuciones de los tetraedros libres unidos por el vertice y caracterizados por sus BO y NBO como funcion de la concentracion en K2O, es decir por los Qn. Esto es debido a que la DFT de CASTEP para sistemas cristalinos considera todo orden de interaccion. Por ello es necesario utilizar estructuras a alcance intermedio, denominadas como unidades estructurales rigidas (RSU). La contribucion de los tetraedros libres se ha calculado usando la dureza Vickers del cristal y un factor de apantallamiento por la perdida de la interaccion de medio y largo alcance. En el trabajo se explica el comportamiento de la dureza Vickers y modulo de Young de vidrios de SiO2-K2O en un amplio rango de composiciones molares.