Сверхтвердые вещества имеют широкий спектр применения — станкостроение, ювелирное дело, разработка месторождений, они используются при резке, полировании, шлифовании, бурении
Разработанный российскими учеными алгоритм компьютерного
моделирования кристаллических структур позволил предсказать
потенциальные сверхтвердые соединения, сравнимые по твердости с
алмазом, сообщает РИА Новости. Результаты
исследования опубликованы в журнале The Journal of
Physical Chemistry Letters.
Ранее российские физики под руководством профессора Сколтеха и
МФТИ Артема Оганова создали эволюционный алгоритм предсказания
кристаллических структур USPEX, а затем на его основе предложили
список твердых и сверхтвердых материалов, имеющих потенциальное
приложение во многих областях промышленности. Этот список ученые
назвали «картой сокровищ» для экспериментаторов.
Наибольший интерес на этой «карте сокровищ» представляют
соединения, у которых высокая твердость по Виккерсу — давление,
необходимое, чтобы получить отпечаток пирамидальной формы на
материале, сочетается с трещинностойкостью — способностью
материала сопротивляться распространению трещин.
Прежде всего, это — бориды переходных металлов. Их синтез, в
отличие от широко используемого алмаза и кубического нитрида
бора, не требует высокого давления, что удешевляет производство.
Высокая плотность электронов на внешней оболочке атомов металла
препятствует сжиманию, электроны начинают отталкивать друг друга,
а крепкие ковалентные связи бор-бор и бор-металл обеспечивают
прочность при упругой и пластической деформациях.
В предыдущей работе ученые нашли одну ранее неизвестную структуру
борида вольфрама — пентаборид WB5 и выяснили, что она
является сверхтвердой. В новой работе ученые из Сколтеха, МФТИ,
Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, Российского
национального исследовательского медицинского университета имени
Н. И. Пирогова и Северо-Западного политехнического университета в
городе Сиань (Китай) исследовали свойства боридов молибдена.
Наиболее энергетически выгодными с точки зрения создания среди
таких соединений оказались высшие бориды молибдена, в которых на
один атом молибдена приходится от четырех до пяти атомов бора.
Самый стабильный из них — пентаборид молибдена MoB5, обладает
расчетной твердостью по Виккерсу 37-39 гигапаскалей, что
позволяет рассматривать его в качестве потенциального
сверхтвердого материала, способного заменить традиционно
используемые твердые сплавы и сверхтвердые материалы в ряде
технологических приложений.
Основные структурные элементы нового соединения — графеноподобные
слои атомов бора, слои атомов молибдена и треугольники из атомов
бора. Слои бора и слои молибдена чередуются между собой, при этом
часть атомов молибдена замещена В3-треугольниками, равномерно
распределенными по объему кристалла.
«Нами было выдвинуто предположение, что структура высшего борида
должна иметь разупорядоченную структуру, в которой треугольники
бора будут статистически замещать атомы молибдена. Для
подтверждения этого нами была разработана решеточная модель,
позволяющая определить правила, по которым треугольники бора
должны располагаться в кристалле, чтобы иметь наименьшую
энергию», — приводятся в пресс-релизе слова первого автора работы
Дмитрия Рыбковского, научного сотрудника Сколтеха и ИОФ им. А.М.
Прохорова РАН.
Компьютерный перебор вариантов расположения атомов молибдена и
треугольников бора позволил выявить закономерности, в
соответствии с которыми формируются наиболее стабильные
соединения, где на один атом металла приходится от четырех до
пяти атомов бора. Наиболее стабильным составом оказался MoB4.7.
Это очень близко к теоретическому соединению MoB5, предсказанному
эволюционным алгоритмом USPEX.
«Данная работа является интересным примером взаимодействия теории
и эксперимента. Теория предсказала соединение с интересными
свойствами и новой структурой, но из эксперимента следовало, что
реальное вещество сложнее и имеет частично разупорядоченную
структуру», — говорит руководитель исследования Артем Оганов.
Сверхтвердые вещества имеют широкий спектр применения —
станкостроение, ювелирное дело, разработка месторождений, они
используются при резке, полировании, шлифовании, бурении.
Иллюстрация: Расположение атомов в кристалле высшего борида
молибдена/© Фото : Дмитрий Рыбковский
Источник: ria.ru
Источник: scientificrussia.ru
