Urāna mononitrīds UN, metālisks materiāls ar akmeņsāls (NaCl) struktūru, ir viens no daudzsološiem oksīdu nesaturošiem materiāliem, kuru var izmantot, kā perspektīvu degvielu jaunajiem IV paaudzes kodolu reaktoriem. Tomēr reaktoriem sintezētajos UN paraugos vienmēr eksistē ievērojams daudzums skābekļa piemaisījumu, kas pasliktina degvielas īpašības. Tāpēc ir nepieciešams izprast O adsorbcijas mehānismu, kā arī tam sekojošo urāna nitrīda oksidēšanos.
Mēs pirmo reizi veicām UN virsmas un tās mijiedarbības ar skābekli detalizētu pētījumu, izmantojot plātnes modeli. Lai aprēķinātu UN plātnes modeļus ar dažādu morfoloģiju, tika lietoti relatīvistiskie efektīvie kodolu pseidopotenciāli un skalārā relatīvistiskā metode, kombinācijā ar Blīvuma Funkcionāļa Teorijas (DFT) projektīvi paplašināto viļņu (PAW) metodi VASP aprēķinu programmas ietvaros. UN tilpuma, bezdefektu UN(001) virsmas un tās reaktivitātes spējas attiecībā uz O atomiem DFT-PAW aprēķinu rezultāti tika salīdzināti ar prof. R.A. Evarestova grupas (Sanktpēterburgas Valsts universitāte) attiecīgajiem rezultātiem, kuri, savukārt, iegūti izmantojot DFT atomu orbitāļu lineāro kombināciju (DFT-LCAO) metodi.
Urāna un slāpekļa vakanču veidošanās enerģijas, kā arī saites enerģijas virs ideālas UN(001) virsmas adsorbētajiem skābekļa atomiem un molekulām, tika apskatītas kopā ar lādiņu pārdalīšanos, elektronisko stāvokļu blīvumu, un skābekļa atomu migrācijas trajektorijām dažādām plātņu konfigurācijām. Mēs esam parādījuši, ka molekulārās adsorbcijas gadījumā paralēli plātnei orientētā O2 molekula var disociēt spontāni, ja molekulas centrs atrodas virsmas dobuma starppozīcijā vai arī virs virsmas N atomiem.
Defektīva substrāta gadījumā virsmas slāpekļa kaimiņvakances klātbūtne tuvu virsmas U atomam (Usurf) sekmē O adatoma migrāciju ar zemu barjeru no stāvokļa virs Usurf uz slāpekļa vakanci, ko tādējādi var uzskatīt par lamātam.
Tādi galvenie aprēķinu rezultāti, kā slāpekļa vakanču veidošanās enerģijas, skābekļa atoma adsorbcijas virs U vai N virsmas atomiem saites enerģija, un O atomu iekļaušanās enerģija N vakancēs tiek salīdzināti UN (001) un (110) virsmām.
Līdz ar to, veiktie liela mēroga DFT aprēķini ļauj mums piedāvāt enerģētiski iespējamo mehānismu defektīvas UN(001) virsmas daļējai piesātināšanai ar skābekļa atomiem, kas atbilst oksinitrīdiem līdzīgas struktūras veidošanai virsmas ārējos slāņos. Tas izskaidro eksperimentāli novērojamo vieglo UN oksidāciju gaisā.
