Investigating the Hydroxyl Reorientation in Hydroxyapatite Using Machine Learning Potentials

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作者
Jing Wang,Xin Wang,Hua Zhu,Dingguo Xu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (23): 11369-11377 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02426
摘要

The chain or network of hydroxyl groups (OH–) is crucial in determining the structure and function of materials, especially in hydroxyapatite (HAP), a mineral essential for human bones. HAP exhibits a linear arrangement of OH– along the c-axis, which determines its phase transition, dielectric, and piezoelectric properties. However, the mechanism underlying OH– reorientation with temperature remains elusive using traditional experimental and theoretical methods. To address this, we developed a machine learning atomistic potential for HAP using an active learning algorithm, which achieved density functional theory-level accuracy in describing OH– of HAP. The machine learning molecular dynamics simulations revealed that the reorientation of OH– in HAP with temperature occurs through ″flip-flop″ motion, rather than proton transfer. This process starts at about 473 K and accelerates with increasing temperature, consistent with the experimentally observed transformation from the monoclinic to hexagonal phase. At 973 K and above, the rapid "flip-flop" reorientation process leads to an undetermined orientation of OH– along the c-axis. These findings highlight the potential of machine learning-accelerated molecular dynamics simulations in unraveling the microscopic mechanisms underlying the hydrogen bond network in complex multicomponent materials at the atomic level.
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