Ambito della ricerca: Modellistica quanto

Ambito della ricerca:
Modellistica quanto-meccanica di solidi cristallini in ambito mineralogico
Tema della ricerca:
Proprietà strutturali, vibrazionali, termo-elastiche e termodinamiche dei minerali,
determinate attraverso simulazioni quanto-meccaniche da princìpi primi.
Componenti e collaborazioni:
Mauro Prencipe; Marco Bruno; Marco Rubbo; Walter Vanzetti. Negli ultimi anni il gruppo si
è avvalso della collaborazione di studenti di dottorato sia della locale Scuola, sia di altre
Scuole attive presso altri atenei (Perugia e Genova).
Descrizione della ricerca:
Le ricerche in questo ambito riguardano la simulazione della struttura e delle proprietà
vibrazionali e termo-elastiche di materiali cristallini con particolare riferimento ai minerali,
attraverso il calcolo ab initio quanto-meccanico. La tecnica computazionale risulta
particolarmente utile, e complementare alle tecniche sperimentali, nella determinazione
delle proprietà elastiche dei minerali in condizioni di contemporanea alta pressione e
temperatura, date le notevoli difficoltà pratiche nel misurare sperimentalmente questo tipo
di grandezze in condizioni termo-bariche estreme. I risultati di queste ricerche hanno
importanti ricadute (i) nella modellistica geodinamica dei processi che avvengono a livello
del mantello terrestre; (ii) nella determinazione delle proprietà termodinamiche di fasi e
degli equilibri tra minerali in condizioni termo-bariche diverse, variabili tra quelle tipiche
della crosta terrestre e quelle del mantello inferiore; (iii) nell’interpretazione dei risultati
sperimentali provenienti dalle spettroscopie vibrazionali IR e Raman. L’approccio
computazionale ab initio consente inoltre l’interpretazione e la razionalizzazione dei
fenomeni e delle proprietà osservate all’interno di un quadro teorico-concettuale costruito
su princìpi fisici e chimico-fisici fondamentali, contribuendo in questo modo all’estensione
delle conoscenze di base nel campo della fisica e della chimica dei materiali. Tra le fasi
minerali oggetto di studio si ritrovano il diamante; silicati come il berillo, i pirosseni, i silicati
a strato, le perovskiti e le post-perovskiti; alcuni carbonati come la calcite, l’aragonite e la
dolomite; i fosfati come l’apatite e le carbonato-apatiti; alcuni ossidi come il periclasio e il
ferro-periclasio.
Laboratori del DST utilizzati:
Laboratorio di calcolo (cluster per calcolo parallelo ad alte prestazioni).
Prodotti della ricerca:
questi riguardano principalmente le pubblicazioni scientifiche. Alcune tra le più significative
e rappresentative prodotte negli ultimi anni, sono:
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Prencipe M, Mantovani L, Tribaudino M, Bersani D & Lottici P (2012). The Raman
spectrum of diopside: a comparison between ab initio calculated and experimentally
measured frequencies. European Journal of Mineralogy, 24, 457–464.
Prencipe M (2012). Simulation of vibrational spectra of crystals by ab initio
calculations: an invaluable aid in the assignment and interpretation of the Raman
signals. The case of jadeite (NaAlSi 2O6). Journal of Raman Spectroscopy, 43, 1567–
1569.
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Prencipe M, Noel Y, Bruno M & Dovesi R. (2009). The vibrational spectrum of
lizardite-1T [Mg3Si2O5(OH)4] at the Γ point: A contribution from an ab initio periodic
B3LYP calculation. American Mineralogist, 94, 986–994.
Ungureanu CG, Cossio R & Prencipe M (2012). An Ab-initio assessment of thermoelastic properties of CaCO3 polymorphs: Calcite case. Calphad, 37, 25–33.
Scanavino I, Belousov R & Prencipe M (2012). Ab initio quantum-mechanical study of
the effects of the inclusion of iron on thermoelastic and thermodynamic properties of
periclase (MgO). Physics and Chemistry of Minerals, 39, 649–663.
Prencipe M, Scanavino I, Nestola F, Merlini M, Civalleri B, Bruno M & Dovesi R.
(2011). High-pressure thermo-elastic properties of beryl (Al 4Be6Si12O36) from ab initio
calculations, and observations about the source of thermal expansion. Physics and
Chemistry of Minerals, 38, 223–239.
Prencipe M & Nestola F (2006). Minerals at high pressure. Mechanics of
compression from quantum mechanical calculations in a case study: the beryl
(Al4Be6Si12O36). Physics and Chemistry of Minerals, 34, 37–52.
Zucchini A, Prencipe M, Comodi P & Frondini F (2012). Ab initio study of cation
disorder in dolomite. Calphad, 38, 177–184.
Figura 1: Spettro Raman sperimentale della giadeite; corrispondenza con lo spettro di
frequenze calcolate e relative attribuzioni dei segnali Raman a specifici modi vibrazionali.
Referente del gruppo: Prencipe Mauro