Рассчитана кристаллическая структура сверхтвердых боридов молибдена — Naked Science
10 минут
ФизТех

Рассчитана кристаллическая структура сверхтвердых боридов молибдена

4.7

В поисках новых сверхтвердых соединений исследователи провели компьютерное моделирование кристаллической структуры боридов молибдена. Оказалось, что наиболее энергетически выгодными являются соединения, в которых на один атом молибдена приходится от четырех до пяти атомов бора (высшие бориды), причем наиболее стабильным из них является пентаборид. Рассчитанная твердость его по Виккерсу составила 37-39 ГПа, что позволяет рассматривать его как потенциальный сверхтвердый материал.

Различные варианты кристаллических структур боридов молибдена, полученные с помощью алгоритма USPEX / ©Dmitry V. Rybkovskiy / J. Phys. Chem. Lett.

Работа опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters. Ранее группа физиков под руководством Артема Оганова, профессора Сколтеха и МФТИ, опубликовала в Journal of Applied Physics работу, в которой был предложен список твердых и сверхтвердых материалов, имеющих потенциальное приложение во многих областях промышленности.

Этот список, полученный с помощью эволюционного алгоритма предсказания кристаллических структур USPEX и новых методов расчета твердости по Виккерсу (давления, необходимого, чтобы получить отпечаток пирамидальной формы на материале) и трещинностойкости (способности материала сопротивляться распространению трещин), ученые назвали «картой сокровищ» для экспериментаторов.

Твердые и сверхтвердые соединения на «карте сокровищ». Положение значка по горизонтали отражает трещиностойкость материала, по вертикали – твердость по Виккерсу. Черным показаны известные материалы, синим – новые, красная точка внутри значка означает, что материал стабилен при нормальных условиях / ©Alexander G. Kvashnin / Journal of Applied Physics

В нынешней 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 (г. Сиань, Китай) исследовали «карту» в области боридов молибдена. Бориды переходных  металлов могут заменить традиционно используемые твердые сплавы и сверхтвердые материалы в ряде технологических приложений. 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 прочные ковалентные связи бор-бор и бор-металл отвечают за прочность при упругой и пластической деформациях. В предыдущей работе ученые нашли новую, ранее неизвестную структуру борида вольфрама: WB5, пентаборид, и выяснили, что она является сверхтвердой.

«Для того, чтобы определить, соответствует ли предсказанная структура эксперименту, проводится сравнение рассчитанной рентгеновской дифрактограммы с экспериментальной. Однако в случае боридов переходных металлов (в данном случае боридов молибдена) на рентгенограмме будут присутствовать сигналы только от более тяжелых атомов металлов, положения атомов бора нельзя будет определить.

Поэтому модели кристаллических структур, построенные на основе только экспериментальных данных, часто являются нереалистичными и нестабильными. Для комплексного решения кристаллической структуры необходимо использовать современные методы компьютерного моделирования», — говорит Александр Квашнин, один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха и МФТИ.

Различные варианты кристаллических структур боридов молибдена, полученные с помощью алгоритма USPEX / ©Dmitry V. Rybkovskiy / J. Phys. Chem. Lett.

Стабильным высшим боридом молибдена оказался пентаборид MoB5, однако рассчитанные дифрактограммы были близки, но не совпадали с экспериментальными данными. Предсказанный пентаборид имел небольшое число слабых пиков, которые отсутствовали в эксперименте. Это указывало на более высокую симметрию в экспериментальном образце. Основными структурными элементами нового соединения являются атомы бора, соединенные в графеноподобные слои, слои атомов молибдена и треугольники В3 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», — говорит Дмитрий Рыбковский, первый автора работы, научный сотрудник Сколтеха и ИОФ имени А. М. Прохорова РАН.

В итоге «грубый» перебор расположения атомов молибдена и треугольников бора позволил выявить закономерности, по которым формируются наиболее стабильные соединения. При этом на один атом металла приходится от четырех до пяти атомов бора, а наиболее стабильным составом является MoB4.7. Но соединение MoB5, предсказанное эволюционным алгоритмом USPEX, обладает наибольшим количеством бора, приходящего на один атом молибдена, среди стабильных высших боридов молибдена.

«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. Сконструированная с учетом этого теория позволила прийти к идеальному согласию с экспериментом и понять точные состав и структуру, а также свойства этого материала в деталях», — сказал Артем Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ, и руководитель авторского коллектива.

Сверхтвердые вещества имеют широкий спектр применения – станкостроение, ювелирное дело, разработка месторождений, они используются при резке, полировании, шлифовании, бурении, поэтому поиск новых соединений, обладающих подобными механическими свойствами, является важной задачей. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 20:30
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

Позавчера, 14:08
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

Вчера, 15:10
14 минут
Василий Парфенов

Сэру Тимоти Бернерсу-Ли мы обязаны созданием основы современной глобальной паутины. Но за 32 года с момента появления революционного проекта WWW интернет стал разительно отличаться от первоначальной задумки. Сеть превратилась в место манипуляций, рассадник преступлений против прав человека и колоссальный рынок персональных данных. Поэтому Бернерс-Ли уже несколько лет взращивает новое начинание, предназначенное для исправления ситуации, — сеть Solid.

Позавчера, 20:30
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

12 апреля
4 минуты
Сергей Васильев

Каждый год на поверхность планеты оседают более 5000 тонн мелких частиц от комет и астероидов — на порядки больше, чем приносят падающие массивные метеориты.

Позавчера, 14:08
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

26 марта
12 минут
Василий Парфенов

Похоже, история с американскими военными и «неопознанными воздушными феноменами» только набирает обороты. Новое расследование раскрыло многократные встречи нескольких кораблей Военно-морского флота Соединенных Штатов с аномально ведущими себя летательными аппаратами. Причем происходило это вне пределов досягаемости для любого коммерческого дрона или иного известного компактного БПЛА.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: