Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПОЛУЧЕНИЕ ВЕРОЯТНЫХ МОДУЛЯРНЫХ ЯЧЕЕК СТРУКТУР КРИСТАЛЛОВ ИЗ СИМПЛЕКСА 4D ПРОСТРАНСТВА

Иванов В.В. 1 Таланов В.М. 1
1 Лаборатория дизайна новых материалов Южно-Российского государственного технического университет
Обсуждаются алгоритм получения вероятных фрагментов модулярных ячеек из симплекса 4D пространства и результаты описания ближнего порядка атомов в кристаллах и возможной гиперкоординации атомов углерода в некоторых классах органических соединений.
модулярная ячейка
клеточный комплекс
координационный полиэдр
гиперкоординированный углерод
1. Стюарт Я. Концепции современной математики: пер. с англ. Н.И. Плужниковой и Г.М. Цукерман – Минск: Выш. школа, 1980. – 384 с.
2. Лорд Э.Э., Маккей А.Л., Ранганатан С. Новая геометрия для новых материалов. – М.: Физматлит, 2010. – 264 с.
3. Блатов В.А. Методы топологического анализа атомных сеток // Журнал структурной химии, 2009. – Т.50. – С. 166–173.
4. Пирсон У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов: пер. с англ.; под ред. С.Н. Горина. – М.: Мир, 1977. – Ч. 1. – 420 с.; Ч. 2. – 472 с.
5. Крипякевич П.И. Структурные типы интерметаллических соединений. – М.: Наука, 1977. – 290 с.
6. Уэллс А. Структурная неорганическая химия. В 3-х томах: пер. с англ.; под ред. М.А. Порай-Кошица и П.М. Зоркого. – М.: Мир, 1987/88. – Т.1. – 408 с.; Т.2. – 696 с.; Т.3. – 564 с.
7. Ferraris G., Makovicky E., Merlino S. Crystallography of modular structures. – IUC Oxford Science Publications, 2008. – 370 p.
8. Иванов В.В., Таланов В.М. Принцип модулярного строения кристаллов // Кристаллография. – 2010. – Т. 55, № 3. – С. 385–398.
9. Иванов В.В., Таланов В.М. Алгоритм выбора структурного модуля и модулярный дизайн кристаллов // Журнал неорганической химии. – 2010. – Т. 55, № 6. – С. 980–990.
10. Иванов В.В. Комбинаторное моделирование вероятных структур неорганических веществ. – Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. – 204 с.
11. Иванов В.В., Таланов В.М. Комбинаторный модулярный дизайн шпинелеподобных фаз // Физика и химия стекла. – 2008. – Т. 34. – № 4. – С. 528–567.
12. Иванов В.В., Таланов В.М. Модулярное строение наноструктур: Информационные коды и комбинаторный дизайн // Наносистемы: Физика, Химия, Математика. – 2010. – Т.1. – № 1. – С. 72–107.
13. Иванов В.В., Таланов В.М. Разбиение и структурирование пространства, описание процесса формирования модульного кристалла // Успехи современного естествознания. – 2012. – № 8. – С. 75–77.
14. Иванов В.В., Таланов В.М. Формирование структурного модуля для модулярного дизайна в 3D-пространстве // Успехи современного естествознания. – 2012. – № 9. – С. 74–77.

Проанализируем возможные варианты геометрической реализации определенного клеточного комплекса 4D-пространства в 3D-пространстве на примере симплекса. При описании топологических преобразований гиперячеек использовали следующий вид символьного представления симплекса и его возможных топологических производных: HPh – < Nv, Ne, Nf, Nph > {Nph рhi}. Данное представление гиперполиэдра содержат информацию о его наименовании (HPh), количестве вершин (v), ребер (e), граней (f), а также количестве и типе ячеек-полиэдров (рh).

Простейший клеточный комплекс 4D-пространства – симплекс – является одним из семи известных автомодулярных политопов этого пространства, т.к. состоит из пяти топологически одинаковых тетраэдрических ячеек: SТ <5,10,10,5> {T5} [1, 2]. В 3D-пространстве ему соответствует, в частности, проективное симметричное изображение в виде центрированного тетраэдра. После определенных топологических преобразований [3] этого образа симплекса возможно получение в 3D пространстве набора соответствующих геометрических образов, которые могут быть изоморфны некоторым конфигурациям определенного комплекса атомов, образующих ближний порядок в структурах кристаллов.

Геометрический образ, соответствующий тетраэдрическому симплексу SТ – центрированный тетраэдр Tc- < 4 + 1,6,4 > (I, с симметрией Td). Для получения других вероятных геометрических образов симплекса в 3D-пространстве можно воспользоваться результатами топологических преобразований его оболочки.

В результате сплиттинг-преобразования вершин и стелейшн-дизайна граней симплекса можно получить следующую цепочку центрированных конфигураций:

Симплекс SТ – <5,10,10,5> {T5} →

лавесовский тетраэдр L’Tc – <13,30,26,9> {L’T, T4, Hpyr4} →

октаэдр Oc – <7,18,20,8> {T8} →

усеченный куб tCc – <25,60,50,15> {tC, T8, Opyr6} →

куб Cc – <9,17,12,7> {C, Tpyr6}.

Им соответствуют центрированные геометрические образы

тетраэдра Лавеса L’Tc – <12 + 1, 18, 8> (II, Td),

октаэдра Oc – <6 + 1, 12, 8> (III, Oh),

усеченного куба tCc – <24 + 1, 36, 14> (IV, Oh)

и куба Cc – <8 + 1, 12, 6> (V, Oh).

В результате стретч-оупен-дизайна тетраэдрического симплекса через одну из его граней получим еще две конфигурации:

Симплекс SТ – <5,10,10,5> {T5} →

Симплекс с центрированной гранью Sfc – <4 + 1, 6 + 4, 4 + 6, 4> {T4, {3}c} →

Тригондипирамида T{3}dipyr – <3 + 2, 9, 6 + 1, 2> {T2}.

Соответствующие геометрические образы – одногранецентрированный тетраэдр Tfc – <4 + 1, 6, 4> (VI, C3v) и тригональная дипирамида T{3}dipyr – <3 + 2, 9, 6> (VII, C3h).

Преобразование производных от симплекса конфигураций в их дуальный образ за счет превращения геометрических центров ячеек в вершины, а граней – в ребра приводит к образованию только двух новых конфигураций. Им соответствуют центрированные геометрические образы дитетраэдра diTc – <4 + 4 + 1, 12, 8> (VIII, T) и объединения куба и октаэдра (C + O)c – <8 + 6 + 1, 12 + 12, 6 + 8> (IX, Oh). Здесь и ранее приведены самые симметричные конфигурации.

Описание форм оболочек ячеек-модулей, которые могут быть получены из симплекса 4D пространства, их симметрия и состав представлены в таблице.

Описания ячеек-модулей, которые могут быть получены из правильного политопа – тетраэдрического симплекса

Симплекс

Форма оболочки ячейки-модуля, ее симметрия и состав

Тетраэдрический

ST < 5,10,10,5 > {T5}

(I) тетраэдр Tc – < 4 + 1,6,4 > (Td) (AA4)

(II) тетраэдр Лавеса L’Tc– < 12 + 1, 18, 8 > (Td) (AX12)

(III) октаэдр Oc – < 6 + 1, 12, 8 > (Oh) (AX6)

(IV) усеченный куб tCc – < 24 + 1, 36, 14 > (Oh) (AX24)

(V) куб Cc – < 8 + 1, 12, 6 > (Oh) (AX8)

(VI) одногранецентрированный тетраэдр Tfc – < 4 + 1,6,4 > (C3v) (AA3A)

(VII) тригонбипирамида T{3}dipyr – < 3 + 2, 9, 6 > (C3h) (A5)

(VIII) дитетраэдр diTc – < 4 + 4 + 1, 12, 8 > (T) (AX4Y4)

(IX) куб + октаэдр (C + O)c – < 8 + 6 + 1, 12 + 12, 14 > (Oh) (AX8Y6)

Полученные из тетраэдрического симплекса пять вариантов вероятных ячеек-модулей (I, III, V, VII и IX) содержат эквивалентный вершинам центральный элемент, что обуславливает нестандартность их конфигураций. Некоторые из этих ячеек-модулей (I–III, IX) являются неизолированными координационными полиэдрами, характеризующими ближний порядок в кристаллических структурах таких простых веществ как алмаз, кремний, германий, олово (серое), в отдельных подрешетках структур сложных веществ (подрешетка кремния в структурах a и b-кварца, b тридимита, b-кристобалита, подрешетка кислорода в структуре плотного льда-II), структурах интерметаллидов и сплавов со структурной разупорядоченностью атомов [4-6]. Ячейка-модуль IX является, в частности, одной из трех наиболее распространенных геометрических конфигураций, характеризующих ближний порядок с координационным числом 14 в структурах металлов и разупорядоченных твердых растворов на их основе (ОЦК структуры щелочных металлов, d-металлов V и VI групп и др.) [4, 5]. Оболочки конфигураций III–V, VIII (т.е. ячейки-модули без центрального атома) часто используются как изолированные и неизолированные полиэдры при описании особенностей кристаллохимического строения сложных соединений с преимущественно ионно-ковалентным характером связей между атомами [6].

Таким образом, на примере вероятных ячеек-модулей, которые могут быть получены из тетраэдрического симплекса, получена релевантная информация о ближнем порядке в некоторых решетках и подрешетках кристаллов. Следует отметить, что только конфигурации V и IX из девяти полученных выше (таблица) являются ячейками-модулями возможных модулярных структур (см., например, [7–12]) с учетом особенностей их формирования [13, 14].


Библиографическая ссылка

Иванов В.В., Таланов В.М. ПОЛУЧЕНИЕ ВЕРОЯТНЫХ МОДУЛЯРНЫХ ЯЧЕЕК СТРУКТУР КРИСТАЛЛОВ ИЗ СИМПЛЕКСА 4D ПРОСТРАНСТВА // Успехи современного естествознания. – 2013. – № 6. – С. 61-63;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=32481 (дата обращения: 21.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074