Рассчитана кристаллическая структура сверхтвердых боридов молибдена — Naked Science
24.04.2020
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.
9 часов назад
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

9 часов назад
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

Позавчера, 20:57
Илья Ведмеденко

По словам космонавта Олега Новицкого, на новом российском модуле «Наука» незапланированно включились двигатели.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: