Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

Scopo della presente tesi di dottorato è la simulazione su scala atomica delle proprietà cristallochimiche e fisiche di alcuni minerali di importanza strategica per applicazioni ceramiche strutturali, biomediche e petrologiche. Tali proprietà influenzano le caratteristiche di stabilità termodinamica e guidano fenomeni all’interfaccia minerale-ambiente, con importanti ricadute economiche, (bio)tecnologiche, petrologiche e ambientali. I minerali di interesse appartengono alla famiglia dei fillosilicati (talco, pirofillite e muscovite) e delle apatiti (idrossiapatite), scelti per la loro importanza in ambito industriale, biomedico e petrofisico. In questo lavoro di tesi abbiamo applicato metodi, formule e conoscenze della meccanica quantistica a problemi di natura mineralogica (“Mineralogica Quantistica”). L’approccio teorico scelto è la Density Fuctional Theory (DFT), adoperata insieme a condizioni periodiche al contorno per limitare la porzione di minerale in analisi alla sola cella cristallografica e al funzionale ibrido B3LYP. Gli orbitali cristallini sono stati simulati mediante una combinazione lineare di funzioni gaussiane (GTO). Le forze dispersive, importanti per la determinazione strutturale dei fillosilicati e non propriamente considerate dal metodo DFT puro, sono state incluse mediante una correzione semi-empirica. Inoltre, sono state calcolate le proprietà fononiche e meccaniche. L’equazione di stato, sia in condizioni atermiche, sia in un ampio intervallo di temperature, è stata ricavata mediante variazioni dei volumi di cella e approssimazione quasi-armonica. Alcune proprietà termo-chimiche dei minerali (capacità termiche isocora e isobara) sono state calcolate, in quanto di notevole importanza in ambito applicativo. Per la prima volta sono forniti grafici tridimensionali relativi a queste proprietà a diverse pressioni e temperature. L’idrossiapatite è stata studiata dal punto di vista strutturale e fononico per il ruolo ricoperto dal minerale in ambito biotecnologico. Infatti, l’apatite biologica rappresenta la fase inorganica dei tessuti duri degli organismi vertebrati. Sono stati realizzati numerosi modelli di (idrossi)apatite carbonatata per coprire il più ampio spettro di possibili variazioni strutturali biologiche per applicazioni bioceramiche.