Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

УГС 150000 Металлургия, машиностроение и металлообработка

Направление 150100 Материаловедение и подготовки технология материалов

Курсовая работа

Тема: Сбор, обработка и представление химической информации о кристалле WO3 с использованием информационных технологий

Студент

Гисматуллина Л.И.

Руководитель,

Дубровенский С.Д.

Санкт-Петербург 2016



Содержание

Введение

1. Цели и задачи работы

2. Аналитический обзор

3. Поиск структурной информации

4. Построение трехмерных изображений кристаллов WO3

5. Определение структурных данных WO3

6. Сопоставление межатомных расстояний и координационных чисел атомов

7. Сравнительный структурный анализ поверхностей раскола

Выводы

Список использованных источников



Введение

«Информационные технологии (ИТ) -- процессы, методы поиска, сбора, хранения, обработки, предоставления, распространения информации и способы осуществления таких процессов и методов.»[1]

Процессы информатизации современного общества и тесно связанные с ними процессы информатизации всех форм деятельности характеризуются процессами совершенствования и массового распространения современных информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). Подобные технологии активно применяются и в твердотельном материаловедении. Современный студент, научный деятель, а также работник должен не только обладать знаниями в области ИКТ, но и быть специалистом по их применению в своей профессиональной деятельности. [2]

Слово "технология" имеет греческие корни и в переводе означает науку, совокупность методов и приемов обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов, изделий и преобразования их в предметы потребления. Современное понимание этого слова включает и применение научных и инженерных знаний для решения практических задач. В таком случае информационными и телекоммуникационными технологиями можно считать такие технологии, которые направлены на обработку и преобразование информации. [2]

В данной курсовой работе будет проведена обработка информации, полученная путем поиска в сети интернет с учетом библиографических ссылок и варианта задания. А так же построение трехмерных изображений кристаллических решеток оксида вольфрама и обработка полученной информации с помощью программного пакета Material Studio.



1. Цели и задачи работы

Цель курсовой работы - развитие навыков практического применения знаний, полученных студентами в ходе изучения дисциплины «Информационные технологии в твердотельном материаловедении».

С учетом цели курсового проекта были сформулированы следующие основные задачи:

а) освоение навыков визуализации и структурного анализа кристаллических веществ в программном пакете Materials Studio;

б) построение 3D-изображения фрагмента кристалла WO3;

в) коррекция и обработка полученных результатов в программном пакете Material Studio;

г) получение навыков библиографического поиска, а также изложение полученных данных в формате реферата с использованием ссылок на первоисточники;

д) грамотные доклад и защита курсовой работы.

2. Аналитический обзор

Суть данной курсовой работы -- поиск химической информации в сети Интернет. Проблема заключается в том, что не существует единой системы поиска, базы данных, а также стандартизации формата данных.

Текстовый поиск, который используется в курсовой работе, все еще остается основным методом обнаружения научной химической информации в Интернете.[3]

Ресурсы Интернета многочисленны, и растут они постоянно. Поэтому нужно убедиться, что в этом огромном море информации имеются стартовые точки, необходимые для эффективного решения научных поисковых задач в области химии стандартными методами.

Ресурсы Интернета качественно неравноценны. Важно знать, что достоверные источники достойны пристального внимания, а все остальные -- всего лишь продукт информационной избыточности ресурсов Интернета.

Задача "найти что-нибудь по заданной теме" почти всегда поддается решению. Сложнее "найти что-нибудь толковое", а еще сложнее -- "найти только толковое".[3]

Способы поиска химической информации:

· Серфинг

· Поисковые машины и каталоги

· Сайты издательств и библиографические базы данных

Стратегия серфинга заключается в охватывании сайтов государственных и академических химических организаций, сайтов университетов, а так же корпоративных сайтов.

Таблица 2 - Расширенный поиск (Google)

Оператор	Обозначение	Пример	Результат поиска: источники включают
AND	AND (по умолчанию)	silicon porous	Формы обоих слов одновременно silicon porous
OR	OR	luminescence OR phosphorescence	Хотя бы одну форму любого из слов luminescence, phosphorescence
NOT	- (дефис)	silicon -carbide	Формы слова silicon, но не carbide
Точная фраза	“фраза” (кавычки)	“porous silicon”	Только точное словосочетание без словоформ
Постановка слов	* (звездочка)	porous * silicon	Словоформы porous, отделенные от silicon одним или более слов
Подбор синонимов	~ (тильда)	~auto	Словоформы auto, car, truck и т.д.
Включение общих слов	+ (плюс)	silicon plane +100	Словоформы silicon, plane и 100

Стратегия поиска:

Выписать все термины и их возможные словоформы, синонимы

Составить запрос с использованием логических операторов:

Полнота (широкий охват)

1) задать наиболее слабые критерии отбора;

2) в зависимости от числа ответов уточнять запрос, вводя более жесткие критерии.

Релевантность (узкий охват)

1) задать наиболее жесткие критерии отбора;

2) в зависимости от числа ответов расширять запрос, удаляя критерии отбора.

Основные виды научных изданий:

· Периодическое издание: журнал, коммюнике, периодический сборник (серия)

· Книга: монография, коллективная монография, сборник статей, учебник, учебное пособие

· Материалы научных конференций, съездов, симпозиумов, семинаров

· Диссертации на соискание ученой степени, авторефераты

· Научно-технические отчеты, техническая и технологическая документация

· Патенты

· Электронные материалы в WWW

Важно выбрать правильный алгоритм поиска, проанализировать список результатов, оценить релевантность и достоверность отобранных документов. Для поиска структурной информации при построении 3D моделей данных кристаллов будет использоваться сайт «NIMS Materials Database (MatNavi)». «Inorganic Material Database ( AtomWork )» -- открытая база данных неорганических веществ. Целью базы данных является охват всех основных кристаллических структур, свойств и фазовых диаграмм неорганических и металлических материалов. По состоянию на 1 июля 2010 года в базах данных «NIMS» насчитывалось около 82000 кристаллов.

Из периодических изданий обращается внимание на журналы издательства «Elsevier» -- ведущего мирового поставщика научных, технических и медицинских информационных продуктов и услуг. Осуществить поиск можно в базе данных «ScienceDirect». Также компании «Elsevier» принадлежит программа для управления библиографической информацией (библиографический менеджер «Mendeley»), которая в дальнейшем будет использоваться в курсовой работе для создания упорядоченных библиографических ссылок на научные издания.

Библиографические ссылки оформляются в соответствии с ГОСТ Р7.0.5 2008.[4] трехмерный кристалл атом раскол

3. Поиск структурной информации

В соответствии с вариантом задания осуществлен поиск структурной информации для двух бинарных металл-оксидных фаз оксида вольфрама(VI) пространственной группы симметрии P4/ncc и Pbcn с использованием библиографических ссылок. На сайте «NIMS Materials Database (MatNavi)»[5] был зарегистрирован аккаунт и осуществлен поиск структурной информации.

Параметры элементарной ячейки (постоянные решетки):

a = 0.73331 нм, b = 0.77401 нм, c = 0.75733 нм,

Углы: б = 90 °, в = 90 °, г = 90 °

Объем ячейки: 0.42985 нм3

Z = 8

Позиции атомов:

Таблица 3 - Данные WO3 пространственной группы симметрии Pbcn

№	1	2	3	4
Обозначение положения	O1	O2	O3	W1
Атом	O	O	O	W
Количество	8	8	8	8
x	0.5016	0.2167	0.2197	0.2479
y	0.2205	0.2592	0.0017	0.2830
z	0.0322	0.2693	0.013	0.0291

Исходные данные для WO3 пространственной группы симметрии P4/ncc: [6]

Параметры элементарной ячейки (постоянные решетки):

a = 0.52759 нм, b = 0.52759 нм, c = 0.78462 нм,

Углы: б = 90 °, в = 90 °, г = 90 °

Объем ячейки: 0.21840 нм3

Z = 4

Позиции атомов:

Таблица 4 - Данные WO3 пространственной группы симметрии P4/ncc

№	1	2	3
Обозначение положения	O1	O2	W1
Атом	O	O	W
Количество	4	8	4
Симметрия положения	4..	..2	4..
x	1/4	0.4713	1/4
y	1/4	0.5287	1/4
z	0.0028	1/4	0.2847

С сайта «NIMS» скачаны файлы формата CIF для двух фаз оксида вольфрама(VI) пространственной группы симметрии P4/ncc и Pbcn.

4. Построение трехмерных изображений кристаллов WO3

Для построения трехмерных изображений кристаллических решеток оксида вольфрама необходимо импортировать файлы формата CIF в программный пакет «MS Modeling». В программе «MS Modeling» модель атома отображается в виде узлов атомов в элементарной ячейке. Связи между атомами добавляем с помощью команды меню «Build-Bonds-Calculate». Затем отображаем по 2 элементарные ячейки вдоль каждой кристаллографической оси, используя меню «Display Style», затем отображаем структуру кристалла в стиле «масштабированные сферы и стержни».

Рисунок 1 - Отображение 8 элементарных ячеек кристалла WO3 пространственной группы симметрии P4/ncc

Рисунок 2 - Отображение одной элементарной ячейки кристалла WO3 пространственной группы симметрии P4/ncc

Рисунок 3 - Отображение 8 элементарных ячеек кристалла WO3 пространственной группы симметрии Pbcn



Рисунок 4 - Отображение одной элементарной ячейки кристалла WO3 пространственной группы симметрии Pbcn

5. Определение структурных данных WO3

Через инструмент «Build > Symmetry > Show Symmetry» определяем сингонию для каждой из фаз WO3. Объем и плотность элементарной ячейки, а также формула и число атомов ячейки находятся через инструмент «View > Explorers > Properties Explorer».

Таблица 5 - Данные о сингонии, пространственной группе изометрии

Соединение	WO3	WO3
Номер фазы в Международных таблицах Союза Кристаллографии	60	130
Пространственная группа симметрии	Pbcn	P4/ncc
Сингония	Орторомбическая	Тетрагональная
Формула ячейки	O24 W8	O12 W4
Число атомов ячейки	32	16
Объем ячейки	0.42985 нм3	0.21840 нм3
Плотность ячейки	7,16509	7,05112

Расчет плотности кристаллических фаз на основании структурных данных

Расчет объема ячейки (Pbcn):

,

Расчет объема ячейки (P4/ncc):

,

Расчет массы одной молекул:

,

,

Расчет плотности кристаллических фаз (Pbcn):

,

Расчет плотности кристаллических фаз (P4/ncc):

,

У орторомбического в-WO3 (Pbcn) плотность кристалла больше, чем у тетрагонального б-WO3 (P4/ncc).

6. Сопоставление межатомных расстояний и координационных чисел атомов

Структура кристалла представляет собой множество октаэдров, и внутри каждого октаэдра межатомные расстояния равны.

Координационное число W в кристалле в-WO3 равно шести, а для O координационное число равно двум.

Таблица 6 - Длины связей в кристалле в-WO3 (Pbcn)

№	Первый атом	Второй атом	Длина связи, Е
1	W1	O1	1,922
2	W1	O1'	1,865
3	W1	O2	2,011
4	W1	O2'	1,843
5	W1	O3	1,714
6	W1	O3'	2,190

Рисунок 5 - Отображение межатомных расстояний в кристалле WO3 (P4/ncc)

Таблица 7 - Длины связей в кристалле б-WO3 (P4/ncc)

№	Первый атом	Второй атом	Длина связи, Е
1	W1	O1	1,711
2	W1	O1'	2,212
3	W1	O2	1,897
4	W1	O8	2,271

Координационное число W в кристалле б-WO3 равно шести, а для O координационное число равно двум.



7. Сравнительный структурный анализ поверхностей раскола

С помощью меню «Measure/change-Distance» указывается длина связи Si-O. С помощью меню «Build > Surfaces > Cleave Surface» раскалываются плоскости по кристаллографическим координатам (100), (110), (111). Предполагается, что раскол кристалла осуществляется в атмосферных условиях в присутствии паров воды при комнатной температуре.

Задается параметр «Depth» -- глубина раскола (2 элементарные ячейки). Подбирается параметр «Top», который смещает плоскость раскола по нормали к поверхности, так, чтобы поверхность раскола проходила через атомы металла. Разорванные связи насыщаются OH-группами: через команду «Cap bonds on > Both > face with O» - связи насыщаются атомами кислорода, далее избавляемся (удаляем вручную) от пероксидных структур, содержащих связи O-O. В реальности такие центры неустойчивы и легко превращаются в гидроксогруппы в присутствии паров воды. Через команду «Modify > Adjust hydrogen» - связи насыщаются водородами. Далее измеряем расстояние между несколькими OH-группами в ячейке и за ее пределами с помощью меню «Measure/change > Distance». На 3D модели кристалла отображаем только те расстояния, которые могут соответствовать химическим связям между группами.

После оценивается концентрацию гидроксильных групп на поверхности плоскости раскола путем отношения количества групп, приходящихся на одну элементарную ячейку к площади элементарной ячейки. Площадь элементарной ячейки находится через инструмент «View > Explorers > Properties Explorer». Полученные данные представлены в таблице 8 и 9.

Обладая данными о концентрации гидроксилов, а следовательно, и числе разрываемых химических связей на единицу поверхности, можно сравнивать несколько сечения с точки зрения относительной вероятности их образования. Таким образом, программные средства позволяют извлечь важную информацию не только о строении, но и о свойствах кристалла.

Рисунок 6 - Отображение 4-х элементарных ячеек поверхности кристалла WO3 P4/ncc для сечения (100)

Рисунок 6 - Отображение 4-х элементарных ячеек поверхности кристалла WO3 P4/ncc для сечения (110)

Рисунок 6 - Отображение 4-х элементарных ячеек поверхности кристалла WO3 P4/ncc для сечения (111) - вид сверху



Рисунок 6 - Отображение 4-х элементарных ячеек поверхности кристалла WO3 Pbcn для сечения (111) - вид сверху

Рисунок 6 - Отображение 4-х элементарных ячеек поверхности кристалла WO3 Pbcn для сечения (110) - вид сверху

Рисунок 6 - Отображение 4-х элементарных ячеек поверхности кристалла WO3 Pbcn для сечения (100) - вид сверху



Концентрация OH групп в плоскости раскола (1 0 0) наименьшая, а значит можно сделать вывод, что это наиболее вероятная плоскость раскола.

Таблица - Типы и концентрации гидроксильных групп на разных плоскостях раскола WO3 пространственной группы симметрии P4/ncc

Плоскость раскола, h k l	1 0 0	1 1 0	1 1 1
Площадь эл. яч., нмІ*100	41.3958	58.5425	64.8229
Количествово OH групп	4	4	6
Терминальные группы	0	4	2
Геминальные группы	4	0	4
Изолированые руппы	0	0	0
Вицинальные группы	4	4	6
Конц-я OH гр. нм-2	9.663	6.833	9.256
Конц-я терм. OH гр. нм?І	0	6.833	3.085
Конц-я.гемин. OH гр. нм?І	9.663	0	6.171
Конц-я изолир. OH гр. нм?І	0	0	0
Конц-я вицен. OH гр. нм?І	9.663	6.833	9.256

В плоскости раскола (1 0 0) концентрация OH-групп минимальна, а значит -- это наиболее вероятная плоскость раскола.

Кристаллические модификации WO3

Кристаллическая структура триоксида вольфрама зависит от температуры. WO3 имеет несколько кристаллических модификаций --моноклинную Pc (ниже ~ 230 K), триклинную P-1 (~ 230 K - 290 K), моноклинную P21/n (~ 290 K - 623 K), орторомбическую Pbcn (~ 623 K -

993 K), моноклинную P21/c (~ 993 K - 1073 K), тетрагональную P4/ncc (~ 1073 K - 1173 K) и P4/nmm (выше ~ 1173 K); а также гексагональную (получают путем медленной дегидратации WO3•H2O) и кубическую. Наиболее распространенной структурой WO3 является моноклинная с пространственной группой P21/n. [10] Триклинная, моноклинная, орторомбическая и тетрагональная фазы WO3 имеют в основном такое же шахматное расположение октаэдров WO6 и они могут обратимо трансформироваться друг в друга. Они отличаются только тем, насколько атомы W смещены от центра октаэдров WO6. Следовательно, WO3 имеет только три действительно разных кристаллических расположения (моноклинная / триклинная / орторомбическая / тетрагональная, гексагональная и кубическая). [11]

Кристаллическая симметрия триоксида вольфрама также очень чувствительна к стехиометрии и размеру частиц. Изменения сопровождаются соответствующими изменениями физических свойств, таких как электропроводность и цвет, которые составляют основу для многих промышленно важных применений. Структуры, сформированные при низких температурах, как правило, имеют каналы и гибкость для размещения интеркалирующих ионов, тогда как структуры, сформированные при высоком давлении и температуре, характеризуются плотной упаковкой. Способ синтеза, такой как нанесение тонкой пленки, может быть оптимизирован для получения требуемой кристаллической структуры. [12]

Чаще всего требуются небольшие порошкообразные частицы или тонкие пленки, которые обычно синтезируются при низких температурах. Это, в свою очередь, часто приводит к образованию метастабильных фаз. Помимо различных искаженных структур WO3, изменения в составе или стехиометрии могут приводить к более значительным структурным изменениям, таким как образование структур вольфрамовой бронзы или структур, полученных из WO3 кристаллографическим сдвигом из-за изменения содержания кислорода. Изменения также могут возникнуть в результате интеркаляции ионов в структуру открытых кристаллов. Изменения могут быть улучшены подходящим легированием, так что WO3 может быть адаптирована к газочувствительным и электрохромным применениям. [12]

Способы получения

Для получения порошков WO3 с хорошо определенными свойствами был разработан широкий спектр методов приготовления: путем термического испарения, химического осаждения из паровой фазы, напыления, золь-гель, пиролиз и другие. Каждый метод подготовки обеспечивает различные преимущества в зависимости от области применения, свойства пленки и затрат. [8]

Золь-гель метод является экономически эффективным способом получения порошкообразных оксидов металлов и облегчения крупномасштабного производства. В этом способе обычно используют синтез оксидных порошков и покрытий посредством реакций гидролиза и конденсации. Методика золь-гель имеет много преимуществ по сравнению с другими методами приготовления, таких как точный контроль концентрации реагентов, простота, а также низкотемпературная обработка.[8]

Кристаллы WO3 пространственной группы симметрии P4/ncc получают следующим методом: порошкообразный WO3, нагревается до 1023 К в чистом кислороде и медленно охлаждается, далее он прессуется до гранул и спекается в кислороде при температуре 1073 К в течение 60 часов.[8] Оксид вольфрама пространственной группы симметрии Pbcn получают при температуре от 623 K до 993 K.[9]

Применение WO3

Оксид вольфрама -- очень универсальный материал и представляет значительный интерес во многих областях. Он широко используется в различных тонкопленочных технологиях, например, в качестве поглотителя в солнечных коллекторах, в качестве электрохромного покрытия в умных стеклах (от англ. «smart window») и в качестве активного слоя в химических датчиках и катализаторах. [13]

Оксид вольфрама является наиболее изученным и используемым материалом для электрохромных устройств, в которых окрашивание и обесцвечивание может быть обратимым. Хотя механизм окраски WO3 интенсивно изучается в течение последних 40 лет, полная информация пока еще отсутствует.[14]

В течение последних нескольких лет интерес к наноструктурированным материалам проявлялся в связи с их чрезвычайными физическими и химическими свойствами. Триоксид вольфрама (WO3) является одним из наиболее перспективных полупроводниковых материалов с применением в оптоэлектронике, датчиках или фотонике. Кроме того, порошки WO3 способны действовать в качестве фотокатализаторов для деградации различных органических и неорганических загрязнителей. WO3 может поглощать видимый свет, что делает его вторым наиболее изученным фотокатализатором металл-оксидных полупроводников. [11]



Выводы

В ходе выполнения работы был осуществлен поиск структурной и библиографической информации по объекту анализа с использованием различных средств в сети Интернет. Эти данные в дальнейшем использовались для визуализации и структурного анализа кристаллических веществ в программном пакете Materials Studio; построены 3D изображения кристаллов оксида вольфрама пространственной группы изомерии Pbcn и P4/ncc; проведен сравнительный структурный анализ для построенных плоскостей раскола.

В заключение были представлены результаты библиографического поиска в виде реферата. Таким образом, я считаю, что сформулированные в соответствии с заданием цели и задачи, в рамках курсовой работы были успешно выполнены.



Список использованных источников

1. Vogt T. The High-Temperature Phases of WO3 / Vogt T., Woodward P.M., Hunter B.A. // J. Solid State Chem. Academic Press, 1999. Vol. 144, № 1. P. 209-215.

2. Dryzek J. Positron annihilation and Seebeck effect studies on silver-doped and oxygen-deficient tungsten trioxide / Dryzek J. [et al.] // J. Phys. Condens. Matter. 1992. Vol. 4, № 5. P. 1399-1406.

3. Bonnet J.P. Propriйtйs йlectriques du trioxyde de tungstиne a proximitй de sa composition stoechiomйtrique. Influence des conditions thermodynamiques de prйparation et phйnomиnes de trempe / Bonnet J.P. [et al.] // J. Solid State Chem. Academic Press, 1981. Vol. 40, № 3. P. 270-279.

4. Sawada S. Thermal and Electrical Properties of Tungsten Oxide (WO3) / Sawada S. // J. Phys. Soc. Japan. The Physical Society of Japan, 1956. Vol. 11, № 12. P. 1237-1246.

5. Salje E. The orthorhombic phase of WO3 / Salje E. // Acta Crystallogr. Sect. B. 1977. Vol. 33, № 2. P. 574-577.

6. Szilбgyi I.M. WO3 photocatalysts: Influence of structure and composition / Szilбgyi I.M. [et al.] // J. Catal. 2012. Vol. 294. P. 119-127.

7. Fujioka Y. Structural Properties of Pure and Nickel-Modified Nanocrystalline Tungsten Trioxide / Fujioka Y. [et al.] // J. Phys. Chem. C. American Chemical Society, 2012. Vol. 116, № 32. P. 17029-17039.

8. Regragui M. Electrical and optical properties of WO3 thin films / Regragui M. [et al.] // Thin Solid Films. 2001. Vol. 397, № 1. P. 238-243.

9. Enesca A. High crystalline tungsten trioxide thin layer obtained by SPD technique / Enesca A. [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. 2006. Vol. 26, № 4-5. P. 571-576.

Размещено на Allbest.ru

...