Computational insights into the structure of barium titanosilicate glasses

Abstract

Barium titanosilicate glasses are of interest for optical and electronic applications. Using molecular dynamics simulations, we investigate the structural properties of barium titanosilicate glasses as a function of composition. The results show that titanium predominantly occupies fivefold coordination environments, acting as a network intermediate. Barium and titanium content systematically influence the network connectivity, short- and medium-range order, and mechanical properties of the glasses. These computational insights provide a structural basis for the rational design of barium titanosilicate glasses with tailored optical and mechanical properties.

Recommended citation: Ghardi, Atila, Badawi, Hasnaoui, Ouaskit. "Computational Insights into the Structure of Barium Titanosilicate Glasses." Journal of the American Ceramic Society. 102(6626).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
Barium titanosilicate (BTS) glasses are highly promising materials for advanced technologies, but a deeper understanding of how titanium dioxide (TiO2) influences their fundamental properties is essential for creating new and improved applications. This research employed sophisticated computer simulations, specifically molecular dynamics, to investigate the atomic-level structure and mechanical stiffness (elastic moduli) of BTS glasses. By systematically varying the TiO2 content, replacing silicon dioxide (SiO2), the study aimed to uncover the precise ways in which TiO2 affects both the internal arrangement of atoms and the material's overall rigidity. The simulations successfully demonstrated that increasing TiO2 content linearly enhances the glass's elasticity, a result that aligns well with existing experimental data. On a structural level, the glasses are primarily composed of various titanium-oxygen and silicon-oxygen units, and the addition of TiO2 leads to a more connected and ordered atomic network, characterized by an increase in specific bridging oxygen types and larger ring structures. These crucial insights provide a roadmap for designing novel BTS glasses and glass-ceramics with tailored properties, enabling their use in diverse fields such as optics, sensors, and the safe immobilization of radioactive waste, ultimately contributing to more efficient and environmentally conscious material development.

🇸🇦 العربية
تُعد زجاجيات تيتانوسيليكات الباريوم (BTS) مواد واعدة للغاية للتقنيات المتقدمة، ولكن الفهم الأعمق لكيفية تأثير ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) على خصائصها الأساسية ضروري لابتكار تطبيقات جديدة ومحسّنة. استخدم هذا البحث محاكاة حاسوبية متطورة، وتحديداً ديناميكيات الجزيئات، لدراسة التركيب الذري والصلابة الميكانيكية (معاملات المرونة) لزجاجيات BTS. من خلال تغيير محتوى TiO2 بشكل منهجي، واستبداله بثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، هدفت الدراسة إلى الكشف عن الطرق الدقيقة التي يؤثر بها TiO2 على الترتيب الداخلي للذرات والصلابة الكلية للمادة. أظهرت المحاكاة بنجاح أن زيادة محتوى TiO2 تعزز مرونة الزجاج خطياً، وهي نتيجة تتوافق تماماً مع البيانات التجريبية الموجودة. على المستوى الهيكلي، تتكون الزجاجيات بشكل أساسي من وحدات مختلفة من التيتانيوم-أكسجين والسيليكون-أكسجين، وتؤدي إضافة TiO2 إلى شبكة ذرية أكثر ترابطاً وتنظيماً، وتتميز بزيادة في أنواع معينة من الأكسجين الجسري وهياكل الحلقات الأكبر. توفر هذه الرؤى الحاسمة خارطة طريق لتصميم زجاجيات BTS جديدة ومواد سيراميكية زجاجية بخصائص مصممة خصيصاً، مما يتيح استخدامها في مجالات متنوعة مثل البصريات وأجهزة الاستشعار والتثبيت الآمن للنفايات المشعة، مما يساهم في نهاية المطاف في تطوير مواد أكثر كفاءة وصديقة للبيئة.

🇫🇷 Français
Les verres de titanosilicate de baryum (BTS) sont des matériaux très prometteurs pour les technologies avancées, mais une compréhension plus approfondie de la manière dont le dioxyde de titane (TiO2) influence leurs propriétés fondamentales est essentielle pour créer de nouvelles applications améliorées. Cette recherche a utilisé des simulations informatiques sophistiquées, notamment la dynamique moléculaire, pour étudier la structure au niveau atomique et la rigidité mécanique (modules d'élasticité) des verres BTS. En faisant varier systématiquement la teneur en TiO2, en remplacement du dioxyde de silicium (SiO2), l'étude visait à découvrir les manières précises dont le TiO2 affecte à la fois l'arrangement interne des atomes et la rigidité globale du matériau. Les simulations ont démontré avec succès qu'une augmentation de la teneur en TiO2 améliore linéairement l'élasticité du verre, un résultat qui concorde bien avec les données expérimentales existantes. Au niveau structurel, les verres sont principalement composés de diverses unités titane-oxygène et silicium-oxygène, et l'ajout de TiO2 conduit à un réseau atomique plus connecté et ordonné, caractérisé par une augmentation de types spécifiques d'oxygène de pontage et de structures en anneau plus grandes. Ces informations cruciales fournissent une feuille de route pour la conception de nouveaux verres et vitrocéramiques BTS aux propriétés adaptées, permettant leur utilisation dans des domaines variés tels que l'optique, les capteurs et la stabilisation sûre des déchets radioactifs, contribuant ainsi au développement de matériaux plus efficaces et respectueux de l'environnement.

🇩🇪 Deutsch
Bariumtitanosilikat-Gläser (BTS) sind vielversprechende Materialien für fortschrittliche Technologien, doch ein tieferes Verständnis, wie Titandioxid (TiO2) ihre grundlegenden Eigenschaften beeinflusst, ist entscheidend für die Entwicklung neuer und verbesserter Anwendungen. Diese Forschung setzte hochentwickelte Computersimulationen, insbesondere Molekulardynamik, ein, um die atomare Struktur und die mechanische Steifigkeit (Elastizitätsmoduln) von BTS-Gläsern zu untersuchen. Durch die systematische Variation des TiO2-Gehalts, der Siliziumdioxid (SiO2) ersetzte, zielte die Studie darauf ab, die genauen Wege aufzudecken, wie TiO2 sowohl die innere Anordnung der Atome als auch die Gesamtsteifigkeit des Materials beeinflusst. Die Simulationen zeigten erfolgreich, dass eine Erhöhung des TiO2-Gehalts die Elastizität des Glases linear verbessert, ein Ergebnis, das gut mit vorhandenen experimentellen Daten übereinstimmt. Auf struktureller Ebene bestehen die Gläser hauptsächlich aus verschiedenen Titan-Sauerstoff- und Silizium-Sauerstoff-Einheiten, und die Zugabe von TiO2 führt zu einem stärker vernetzten und geordneten Atomnetzwerk, gekennzeichnet durch eine Zunahme spezifischer Brückensauerstofftypen und größerer Ringstrukturen. Diese entscheidenden Erkenntnisse bieten einen Fahrplan für die Entwicklung neuartiger BTS-Gläser und Glaskeramiken mit maßgeschneiderten Eigenschaften, die ihren Einsatz in verschiedenen Bereichen wie Optik, Sensoren und der sicheren Immobilisierung radioaktiver Abfälle ermöglichen und letztendlich zu effizienteren und umweltfreundlicheren Materialentwicklungen beitragen.