Инд. авторы:	Литасов К.Д., Инербаев Т.М., Абуова Ф.У., Чанышев А.Д., Даулетбекова А.К., Акилбеков А.Т.
Заглавие:	Упругие свойства полициклических ароматических углеводородов при высоких давлениях, рассчитанные первопринципными методами
Библ. ссылка:	Литасов К.Д., Инербаев Т.М., Абуова Ф.У., Чанышев А.Д., Даулетбекова А.К., Акилбеков А.Т. Упругие свойства полициклических ароматических углеводородов при высоких давлениях, рассчитанные первопринципными методами // Геохимия. - 2019. - Т.64. - № 5. - С.460-470. - ISSN 0016-7525.
Внешние системы:	DOI: 10.31857/S0016-7525645460-470; РИНЦ: 37657682;
Реферат:	eng: Crystal structure and compressibility parameters of benzene and a number of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were calculated by first-principles methods of the density functional theory with a gradient approximation of the exchange-correlation potential in the form of PBE, taking into account the van der Waals interactions optPBE-vdW in a pressure interval of 0-20 GPa. A comparison with the experimental data for benzene, naphthalene, tetracene, and pentacene shows a high accuracy of the calculations. All studied materials have a close compressibility with the bulk modulus from 8 to 12 GPa and its pressure derivative 6.9-7.5, which consistent with a decrease in the intermolecular distances and a weak deformation of the molecules and benzene rings themselves. There is a weak dependence of the compressibility on the number of atoms (benzene rings) in the molecule or on the type of crystal structure (most PAHs have a space group P 21/a). Compounds with a large number of benzene rings, as well as a denser ring structure - cyclic (pyrene, coronene) have lower compressibility with respect to less dense PAHs (tetracene, hexacene). Some PAHs, benzene, phenanthrene, pyrene and coronene, have high-pressure modifications, but a correct description of their structures, which allows to obtain elastic modules, has not yet been made. The obtained data on PAH compressibility can be used in the development of high-temperature equations of state and calculation of the equilibrium composition of the liquid and solid components of the C-O-H system. rus: Расчет кристаллической структуры и параметров сжимаемости бензола и ряда полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) проведен первопринципными методами теории функционала плотности с градиентной аппроксимацией обменно-корреляционного потенциала в форме PBE с учетом Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий (optPBE-vdW) в интервале давлений 0-20 ГПа. Для бензола, нафталина, тетрацена и пентацена проведено сравнение с экспериментальными данными, которое показывает высокую точность расчетов. Все исследованные вещества имеют близкую сжимаемость с модулем всестороннего сжатия от 8 до 12 ГПа и его производной по давлению 6.9-7.5. Близость рассчитанных параметров указывает на основную роль уменьшения межмолекулярных расстояний при сжатии ПАУ и слабую деформацию самих молекул и бензольных колец. Наблюдается слабая зависимость сжимаемости от количества атомов (бензольных колец) в молекуле вещества или от типа кристаллической структуры (большинство исследованных ПАУ имеют пространственную группу Р21 /а). Соединения с большим количеством бензольных колец, а также более плотной структурой колец - циклические (пирен, коронен), имеют меньшую сжимаемость по отношению к менее плотным ПАУ (тетрацен, гексацен). Некоторые ПАУ (бензол, фенантрен пирен, коронен) имеют высокобарические модификации, однако корректное описание их структур, позволяющее рассчитать упругие модули, еще не сделано. Полученные данные по сжимаемости ПАУ можно использовать при разработке высокотемпературных уравнений состояния и расчета равновесного состава жидких и твердых компонентов системы С-О-Н.
Ключевые слова:	high pressure; equation of state; compressibility; polycyclic aromatic hydrocarbons; первопринципные расчеты; высокие давления; уравнение состояния; сжимаемость; полициклические ароматические углеводороды; first principles;
Издано:	2019
Физ. характеристика:	с.460-470
Цитирование:	1. Гаранин В.К., Биллер А.Я., Скворцова В.Л., Бовкун А.В., Бондаренко Г.В. (2011) Полифазные углеводородные включения в гранате из алмазоносной трубки Мир. Вест. МГУ. Сер. 4: Геологическая 2, 42-50. 2. Журавлев Ю.Н., Федоров И.А., Киямов М.Ю. (2012) Первопринципное исследование кристаллической структуры и уравнения состояния нафталина и антрацена. Журнал структурной химии 53 (7), 425-431. 3. Зубков В.С. (2001) К вопросу о составе и формах нахождения флюида системы C-H-N-O-S в РТ-условиях верхней мантии. Геохимия (2), 131-145. 4. Zubkov V.S. (2001) Composition and speciation of fluid in the system C-H-N-O-S at P-T conditions of the upper mantle. Geochem. Int. 39 (2), 109-122. 5. Зубков В.С. (2009) Закономерности распределения и гипотезы происхождения конденсированных нафтидов в магматических породах различных геодинамических обстановок. Геохимия (8), 787-804. 6. Zubkov V.S. (2009) Tendencies in the distribution and hypotheses of the genesis of condensed naphthides in magmatic rocks from various geodynamic environments. Geochem. Int. 47 (8), 741-757. 7. Каминский Ф.В., Кулакова И.И., Оглобина А.И. (1985) О полициклических ароматических углеводородах в карбонадо и алмазе. ДАН 283 (4), 985-988. 8. Карпов И.К., Зубков В.С., Степанов А.Н., Бычинский В.А. (1998) Римейк термодинамической модели системы С-Н Э.Б. Чекалюка. ДАН 358 (2), 222-225. 9. Кулакова И.И., Оглоблина А.И., Руденко А.П., Флоровская В.Н., Боткунов А.И., Скворцова В.Л. (1982) Полициклические ароматические углеводороды в минералах-спутниках алмаза и возможный механизм их образования. ДАН. 267 (6), 1458-1461. 10. Литасов К.Д. (2011) Физико-химические условия плавления мантии Земли в присутствии С-О-Н-флюида по экспериментальным данным. Геология и геофизика 52 (5), 613-635. 11. Политов А.А., Фурсенко Б.А., Болдырев В.В. (2000) Димеризация антрацена в услових высокого давления и сдвига. ДАН 371 (1), 59-62. 12. Прокаева М.А., Бабурин И.А., Сережкин В.Н. (2009) О методах определения площадей поверхности молекул. Журнал структурной химии 50 (5), 905-910. 13. Чанышев А.Д., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Отани Э. (2014a) Исследование полициклических ароматических углеводородов при давлениях 6-9 ГПа с помощью рентгеновской дифрактометрии и синхротронного излучения. ДАН 458 (5), 594-597. 14. Чанышев А.Д., Лихачева А.Ю., Гаврюшкин П.Н., Литасов К.Д. (2016) Сжимаемость, фазовые переходы и аморфизация коронена при давлении до 6 ГПа. Журнал структурной химии 57 (7), 1570-1573. 15. Чанышев А.Д., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Фурукава Й., Отани Э. (2014b) Условия стабильности полициклических ароматических углеводородов при высоких давлениях и температурах. Геохимия 52 (9), 837-842. 16. Chanyshev A.D., Litasov K.D., Shatskiy A.F., Furukawa Y., Ohtani E. (2014) Conditions for the stability of polycyclic aromatic hydrocarbons at high pressures and temperatures. Geochem. Int. 52 (9), 767-772. 17. Чекалюк Э.Б. (1967) Нефть верхней мантии Земли. Киев: Наукова думка, 258 c. 18. Allamandola L.J., Tielens A.G., Barker J.R. (1989) Interstellar polycyclic aromatic hydrocarbons: the infrared emission bands, the excitation/emission mechanism, and the astrophysical implications. Astrophys. J. Suppl. Ser. 71 (4), 733-775. 19. Becker L., Glavin D.P., Bada J.L. (1997) Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Antarctic Martian meteorites, carbonaceous chondrites, and polar ice. Geochim. Cosmochim. Acta 61 (2), 475-481. 20. Brock C.P., Dunitz J.D. (1982) Temperature dependence of thermal motion in crystalline naphthalene. Acta Cryst. B 38, 2218-2228. 21. Brock C.P., Dunitz J. (1990) Temperature dependence of thermal motion in crystalline anthracene. Acta Cryst. B46, 795-806. 22. Camerman A., Trotter J. (1965) The crystal and molecular structure of pyrene. Acta Cryst. 18 (4), 636-643. 23. Campbell R.B., Robertson J.M., Trotter J. (1961) The crystal and molecular structure of pentacene. Acta Cryst. 14 (7), 705-711. 24. Campbell R.B., Robertson J.M., Trotter J. (1962) The crystal structure of hexacene, and a revision of the crystallographic data for tetracene. Acta Cryst. 15 (3), 289-290. 25. Cansell F., Fabre D., Petitet J.P., (1993) Phase transitions and chemical transformations of benzene up to 550°C and 30 GPa. J. Chem. Phys. 99, 7300-7304. 26. Chanyshev A.D., Litasov K.D., Shatskiy A.F., Ohtani E. (2015a) In situ X-ray diffraction study of polycyclic aromatic hydrocarbons at pressures of 7-15 GPa: Implication to deep-seated fluids in the Earth and planetary environments. Chem. Geol. 405, 39-47. 27. Chanyshev A.D., Litasov K.D., Furukawa Y., Kokh K.A., Shatskiy A.F. (2017) Temperature-induced oligomerization of polycyclic aromatic hydrocarbons at ambient and high pressures. Scientific Rep. 7 (1), 7889. 28. Chanyshev A.D., Litasov K.D., Shatskiy A.F., Furukawa Y., Yoshino T., Ohtani E. (2015b) Oligomerization and carbonization of polycyclic aromatic hydrocarbons at high pressure and temperature. Carbon 84, 225-235. 29. Chanyshev A.D., Litasov K.D., Rashchenko S.V., Sano-Furukawa A., Kagi H., Hattori T., Shatskiy A.F., Dymshits A.M., Sharygin I.S., Higo Y. (2018) High-pressure high-temperature study of benzene: Refined crystal structure and new phase diagram up to 8 GPa and 923 K. Cryst. Growth Design 18 (5), 3016-3026. 30. Ciabini L., Gorelli F.A., Santoro M., Bini R., Schettino V., Mezouar M. (2005) High-pressure and high-temperature equation of state and phase diagram of solid benzene. Phys. Rev. B 72 (9), 094108. 31. Ciabini L., Santoro M., Gorelli F.A., Bini R., Schettino V., Raugei S. (2007) Triggering dynamics of the high-pressure benzene amorphization. Nature Mat. 6 (1), 39-43. 32. Davydov V., Rakhmanina A., Agafonov V., Narymbetov B., Boudou J.-P., Szwarc H. (2004) Conversion of polycyclic aromatic hydrocarbons to graphite and diamond at high pressures. Carbon 42 (2), 261-269. 33. Dion M., Rydberg H., Schröder E., Langreth D.C., Lundqvist B.I. (2004) Van der Waals density functional for general geometries. Phys. Rev. Lett. 92 (24), 246401. 34. Dreizler R., Gross E. (1995) Density functional theory. New York: Plenum Press, 685 p. 35. Ehrenfreund P., Charnley S.B. (2000) Organic molecules in the interstellar medium, comets, and meteorites: A voyage from dark clouds to the early Earth. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 38 (1), 427-483. 36. Fabbiani F.P., Allan D.R., Parsons S., Pulham C.R. (2006) Exploration of the high-pressure behaviour of polycyclic aromatic hydrocarbons: naphthalene, phenanthrene and pyrene. Acta Cryst. B 62, 826-842. 37. Fabbiani F.P.A., Allan D.R., David W.I.F., Moggach S.A., Parsons S., Pulham C.R. (2004) High-pressure recrystallisation-a route to new polymorphs and solvates. CrystEngComm 6, 505-511. 38. Fawcett J.K., Trotter J. (1966) The crystal and molecular structure of coronene. Proc. Royal Soc. London A 289, 366-376. 39. Hazell A.C., Hazell R.G., Norskov-Lauritsen L., Briant C.E., Jones D.W. (1986) A neutron diffraction study of the crystal and molecular structure of acenaphthene. Acta Cryst. C 42, 690-693. 40. Hohenberg P., Kohn W. (1964) Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev. 136, B864. 41. Kay M., Okaya Y., Cox D. (1971) A refinement of the structure of the room-temperature phase of phenanthrene, C14H10, from X-ray and neutron diffraction data. Acta Cryst. B 27, 26-33. 42. Klimeš J., Bowler D.R., Michaelides A. (2010) Chemical accuracy for the van der Waals density functional. J. Phys. Condensed Matter 22 (2), 022201. 43. Klimeš J., Bowler D.R., Michaelides A. (2011) Van der Waals density functionals applied to solids. Phys. Rev. B83, 195131. 44. Kondrin M.V., Nikolaev N.A., Boldyrev K.N., Shulga Y.M., Zibrov I.P., Brazhkin V.V. (2017) Bulk graphanes synthesized from benzene and pyridine. CrystEngComm 19 (6), 958-966. 45. Kresse G., Furthmüller J. (1996) Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comp. Mater. Sci. 6, 15-50. 46. Kresse G., Joubert D. (1999) From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Phys. Rev. B 59 (3), 1758-1775. 47. Likhacheva A.Y., Rashchenko S.V., Litasov K.D. (2014a) High-pressure structural properties of naphthalene up to 6 GPa. J. Appl. Cryst. 47 (3), 984-991. 48. Likhacheva A.Y., Rashchenko S.V., Chanyshev A.D., Inerbaev T.M., Litasov K.D., Kilin D.S. (2014b) Thermal equation of state of solid naphthalene to 13 GPa and 773 K: In situ X-ray diffraction study and first principles calculations. J. Chem. Phys. 140 (16), 164508. 49. Oehzelt M., Aichholzer A., Resel R., Heimel G., Venuti E., Della Valle R. (2006) Crystal structure of oligoacenes under high pressure. Phys. Rev. B 74 (10), 104103. 50. Oehzelt M., Heimel G., Resel R., Puschnig P., Hummer K., Ambrosch-Draxl C., Takemura K., Nakayama A. (2003) High pressure x-ray study on anthracene. J. Chem. Phys. 119 (2), 1078-1084. 51. Oro J., Gibert J., Lichtenstein H., Wikstrom S., Flory D. (1971) Amino-acids, aliphatic and aromatic hydrocarbons in the Murchison meteorite. Nature 230, 105-106. 52. Petricek V., Císarová I., Hummel L., Kroupa J., Brezina B. (1990) Orientational disorder in phenanthrene. Structure determination at 248, 295, 339 and 344 K. Acta Cryst. B 46, 830-832. 53. Piermarini G., Mighell A., Weir C., Block S. (1969) Crystal structure of benzene II at 25 kilobars. Science 165, 1250-1255. 54. Román-Pérez G., Soler J.M. (2009) Efficient Implementation of a van der Waals Density Functional: Application to Double-Wall Carbon Nanotubes. Phys. Rev. Lett. 103 (9), 096102. 55. Schatschneider B., Phelps J., Jezowski S. (2011) A new parameter for classification of polycyclic aromatic hydrocarbon crystalline motifs: a Hirshfeld surface investigation. CrystEngComm 13, 7216-7223. 56. Schatschneider B., Monaco S., Tkatchenko A., Liang J.-J. (2013) Understanding the structure and electronic properties of molecular crystals under pressure: application of dispersion corrected DFT to oligoacenes. J. Phys. Chem. A 117 (34), 8323-8331. 57. Thiery M.M., Leger J.M. (1988) High-pressure solid phases of benzene. 1. Raman and X-ray studies of C6H6 at 294 K up to 25 GPa. J. Chem. Phys. 89 (7), 4255-4271. 58. Tielens A.G.G.M. (2008) Interstellar polycyclic aromatic hydrocarbon molecules. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 46, 289-337. 59. Venuti E., Della Valle R.G., Brillante A., Masino M., Girlando A. (2002) Probing pentacene polymorphs by lattice dynamics calculations. J. Amer. Chem. Soc. 124 (10), 2128-2129. 60. Venuti E., Della Valle R.G., Farina L., Brillante A., Masino M., Girlando A. (2004) Phonons and structures of tetracene polymorphs at low temperature and high pressure. Phys. Rev. B 70, 104106. 61. Vinet P., Ferrante J., Rose J.H., Smith J.R. (1987) Compressibility of solids. J. Geophys. Res. 92, 9319-9325. 62. Watanabe M., Chang Y.J., Liu S.-W., Chao T.-H., Goto K., Islam M.M., Yuan C.-H., Tao Y.-T., Shinmyozu T., Chow T.J. (2012) The synthesis, crystal structure and charge-transport properties of hexacene. Nature Chem. 4 (7), 574-578. 63. Wen X.D., Hoffmann R., Ashcroft N.W. (2011) Benzene under high pressure: a story of molecular crystals transforming to saturated networks, with a possible intermediate metallic phase. J. Amer. Chem. Soc. 133 (23), 9023-9035. 64. Zhao X.-M., Zhang J., Berlie A., Qin Z.-X., Huang Q.-W., Jiang S., Zhang J.-B., Tang L.-Y., Liu J., Zhang C. (2013) Phase transformations and vibrational properties of coronene under pressure. J. Chem. Phys. 139 (14), 144308.