Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ, Таджикского технического университета имени академика М. С. Осими и университета Лусофоны (Португалия) обобщили результаты исследований структурной стабильности, электронных свойств и фононной дисперсии биосовместимого соединения диоксида циркония, одного из самых распространенных материалов для создания зубных коронок и протезов, в его кубической (c-ZrO₂), тетрагональной (t-ZrO₂) и моноклинной (m-ZrO₂) фазах.

Рисунок 1. Модели кристаллических решеток: а) кубическая, б) тетрагональная и в) моноклинная фаза ZrO₂

Авторы обнаружили, что моноклинная фаза диоксида циркония является наиболее стабильной из трех фаз с точки зрения общей энергии, наименьшей энтальпии, наибольшей энтропии и других термодинамических свойств. Наличие довольно слабых частот для m-ZrO₂ также подтверждает моноклинную фазу как стабильную конформацию диоксида циркония.

Проведенный анализ электронных свойств показал, что во время m-t фазового превращения ZrO₂ уровень Ферми сначала смещается на 0,125 эВ в сторону более высоких энергий, а затем уменьшается на 0,08 эВ в поперечном сечении t-c. Ширина запрещенной зоны для c-ZrO₂, t-ZrO₂ и m-ZrO₂ составляет 5,140 эВ, 5,898 эВ, и 5,288 эВ соответственно. Расчеты для изучения влияния 3,23, 6,67, 10,35 и 16,15 изучение моль%Y₂O₃ структуры и свойств m-ZrO₂ показало, что энтальпия m-YSZ (диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия) линейно уменьшается и сопровождается дальнейшей стабилизацией диоксида циркония. Индуцированные легированием фазовые переходы ZrO₂ были обнаружены под влиянием легирования Y₂O₃, из-за которого изменяется положение уровня Ферми и уменьшается ширина запрещенной зоны.

Было установлено, что не только для чистых систем, но и для систем, легированных Y₂O₃, основной вклад в формирование зоны проводимости осуществляется за счет p-состояний электронов.

Биосовместимый диоксид циркония является одним из самых распространенных материалов в стоматологии для изготовления как зубных коронок, так и имплантатов зубов. Также он используется для изготовления эндопротезов суставов. Материал обладает высокой прочностью и низкой теплопроводностью, то есть не вызывает болезненных ощущений при контакте с горячей и холодной пищей. Биосовместимость означает свойство высококачественного диоксида циркония, при котором он не провоцирует аллергические реакции и не раздражает ткани организма.

Статья «Исследование структурной стабильности ZrO₂ и YSZ: фазовые переходы, вызванные легированием, сдвиг уровня Ферми» опубликована в журнале «Advanced Energy Conversion Materials». Cоавтор исследования со стороны ОИЯИ – ведущий научный сотрудник ЛНФ Холмирзо Холмуродов.