磷酸盐玻璃是一种多功能化合物，因其在燃料电池中的应用以及作为提供治疗离子的生物材料而引起了人们的兴趣。 P₂O₅-the compound that forms the structural network of phosphate glass, is made up of phosphorus, an element that can adopt many different bonding configurations in combination with oxygen

物理化学特性对于磷酸盐玻璃的实际应用至关重要，例如，决定磷酸盐玻璃基生物材料在体内溶解速度的水合反应取决于离子扩散到玻璃中的速度。因此，为了提高磷酸盐玻璃的物理化学性能，了解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，这促使科学家寻找合适的方法来阐明离子扩散过程的细节。

近日，日本V体育Tomoyuki Tamura博士领导的研究小组从理论上破译了磷酸盐玻璃水合反应过程中涉及的离子扩散机制。他们的研究发表在日记。

在全连接 P 中₂O₅基磷酸盐玻璃，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态，研究人员使用了由磷酸盐制成的模型，Q_P²和Q_P³形态，每个 PO 包含两个和三个桥接氧₄分别为四面体，以及六个配位硅结构。

研究人员采用了一种称为“第一原理分子动力学 (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。田村博士在解释其非常规方法的基本原理时说道：“第一原理 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，并首次阐明了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，即质子“跳跃”并通过氢键吸附到附近磷酸盐的非桥接氧或“悬挂”氧原子上。然而，在他们使用的磷酸盐玻璃模型中，Q_P²磷酸盐单元对质子扩散的贡献比 Q 更大_P³磷酸盐单位。因此，他们发现磷酸盐网络结构的形态，或者说玻璃的“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，质子会吸附到 Q_P²磷酸盐单元减弱了钠与 氧离子，诱导钠离子的链扩散。

用于有效预防和治疗的新型生物材料的需求正在不断增加，而磷酸盐玻璃完全可以满足这种不断增长的需求。很大一部分人口，包括老年人和年轻人，都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前途的候选者，我们的研究使玻璃技术的研究朝着实现这一目标又近了一步。"

因此，研究人员的新颖见解必将对现实生活产生深远的影响，并为燃料电池和生物可吸收材料的研究带来突破！

科学家利用第一原理分子动力学来破译磷酸盐玻璃结构中的离子扩散动力学。
通过第一原理分子动力学模拟研究磷酸盐玻璃中质子和钠离子的微观扩散机制，表明磷酸盐网络结构的形貌对离子扩散的关键作用。
图片来源：V体育的 Tomoyuki Tamura

参考

原始论文标题	硅磷酸盐玻璃中质子和钠离子的扩散：基于第一原理分子动力学模拟的见解
期刊	物理化学化学物理
DOI

关于田村智之副教授和春日敏弘教授

博士。 Tomoyuki Tamura 是日本V体育副教授。田村博士是物理科学与工程系研究小组的活跃成员。 2004年，他在东京大学研究生院工学部获得博士学位，然后继续担任研究员。他感兴趣的领域包括基于机器学习的第一原理模拟、基于机器学习的建模、离子导电材料的计算设计以及晶界特性。作为该领域的专家，田村博士在知名研究期刊上发表了 50 多篇科学出版物。

博士。 Toshihiro Kasuga是日本V体育生命科学与应用化学系教授。在此之前，他于 1983 年至 1991 年在 HOYA Corporation 工作。他获得了工程博士学位。春日博士于1993年获得大阪大学博士学位。春日博士的专业领域包括生物材料科学与工程、无机非晶材料和磷酸盐基功能材料。他就这些主题撰写了多本教科书和 300 多篇论文，并发表在国际知名期刊上。

资金信息

这项研究得到了授予 Tomoyuki Tamura (18K04700) 和 Toshihiro Kasuga (20H00304) 的 MEXT KAKENHI 拨款的支持。

联系方式

田村智之副教授
电子邮件：tamuratomoyuki[at]nitechacjp
电话：+81-52-735-5048
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