First-Principles Study of Structure, Vibrational, and Elastic Properties of Stoichiometric and Calcium-Deficient Hydroxyapatite

亚稳态 密度泛函理论 化学计量学 材料科学 表征(材料科学) 化学 压力(语言学) 化学物理 结晶学 计算化学 物理化学 纳米技术 冶金 哲学 有机化学 语言学
作者
Soumya S. Bhat,Umesh V. Waghmare,Upadrasta Ramamurty
出处
期刊:Crystal Growth & Design [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 3131-3141 被引量:68
标识
DOI:10.1021/cg5004269
摘要

Hydroxyapatite (HAp), a primary constituent of human bone, is usually nonstoichiometric with varying Ca/P molar ratios, with the well-known fact that Ca deficiency can cause marked reductions in its mechanical properties. To gain insights into the mechanism of this degradation, we employ first-principles calculations based on density functional theory and determine the effects of Ca deficiency on structure, vibrational, and elastic properties of HAp. Our simulation results confirm a considerable reduction in the elastic constants of HAp due to Ca deficiency, which was experimentally reported earlier. Stress-induced transformation of the Ca-deficient defected structure into a metastable state upon the application of stress could be a reason for this. Local structural stability of HAp and Ca-deficient HAp structures is assessed with full phonon dispersion studies. Further, specific signatures in the computed vibrational spectra for Ca deficiency in HAp can be utilized in experimental characterization of different types of defected HAp.
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