Группа ученых из России, США и Китая при помощи численного моделирования описала ранее неизвестные особенности рутила TiO₂. Расчеты проводились в лаборатории МФТИ на суперкомпьютере Rurik. Новые данные о веществе позволят лучше понять его фотокаталитические свойства. Статья опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics, об исследовании рассказывает сайт МФТИ.

Активность рутила как фотокатализатора связана с тем, как атомы кислорода и титана располагаются на его поверхности. Именно этот вопрос и стал целью исследования. С помощью специального программного обеспечения и методов компьютерного моделирования на основе фундаментальных законов квантовой механики ученые построили поверхностную фазовую диаграмму — зависимость поверхностной энергии от состава — и по ней определили, какие именно формы являются метастабильными. Кроме того, исследователи посчитали для нереконструированной поверхности рутила поверхностное натяжение — силу, действующую на расположенные на поверхности атомы.

Эти расчеты позволили сделать вывод, что такие формы, как R-TiO₂(₀₁₁) и реконструкции titanyl-TiO₂ и B(₀₀₁)-TiO₂ должны быть метастабильными. Для проверки были смоделированы изображения поверхности рутила R-TiO₂(₀₁₁), которые могли бы получиться при изучении образцов сканирующим туннельным микроскопом (СТМ). Смоделированные СТМ-изображения ученые сопоставили с изображениями из реальных экспериментов.

Таким образом оказалось, что формирование реконструкций B(₀₀₁)-TiO₂ и titanyl-TiO₂ обусловлено поверхностным натяжением, по заключению ученых эти структуры метастабильны. Полученные модели оказались похожими на ранее предложенные, но их существование является более обоснованным. Так, модель MF(₁₁₁)-TiO менее насыщена кислородом, чем MF(₁₁₁)-TiO₃, и объясняет, почему реконструкция наблюдалась в бедной кислородом среде, то есть в вакууме при высокой температуре. А модель titanyl-Ti₂O₃ содержит одномерные ряды из вакансий кислорода, откуда ученые сделали предположение, что реконструкции titanyl-TiO₂ и titanyl-Ti₂O₃ формируются до и после облучения электронами соответственно. Кроме того, авторы по итогам моделирования предлагают еще три новые структуры.