Российские ученые нашли вещество, твердое как алмаз

Разработанный российскими учеными алгоритм компьютерного моделирования кристаллических структур позволил предсказать потенциальные сверхтвердые соединения, сравнимые по твердости с алмазом. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Российские ученые нашли вещество, твердое как алмаз
Фото: Дмитрий РыбковскийДмитрий Рыбковский
Ранее российские физики под руководством профессора Сколтеха и МФТИ 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 , 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.
18+