В Сколтехе разгадали 60-летнюю загадку сверхтвердого материала — Naked Science
Сколтех

В Сколтехе разгадали 60-летнюю загадку сверхтвердого материала

5.1

Исследователи Сколтеха совместно с коллегами разгадали загадку 1960-х годов о кристаллической структуре потенциально сверхтвердого борида вольфрама, который может оказаться крайне полезным в самых разных областях применения, включая технологии бурения.

Исследователи разгадали загадку 1960-х годов о кристаллической структуре потенциально сверхтвердого борида вольфрама / Pavel Odinev / ©Пресс-служба Сколтеха

Статья о научной работе, поддержанной Научно-Техническим Центром «Газпром нефти», опубликована в журнале Advanced Science. Бориды вольфрама впервые привлекли внимание ученых в середине XX века благодаря своей твердости и другим интересным механическим свойствам. Одна из давних загадок, связанных с этими соединениями, — кристаллическая структура так называемого соединения WB4, высшего борида вольфрама, которая сильно различается в экспериментальных моделях и теоретических предсказаниях разных групп.

«Экспериментально кристаллическая структура определяется рентгеноструктурным анализом. Но большая разница в атомных эффективных сечениях рассеяния (тяжелый вольфрам по сравнению с легким бором) делает позиции атомов бора в переходных боридах металлов едва различимыми для такого анализа. Эту проблему можно решить дифракцией нейтронов, и это было сделано недавно, но любой дифракционный метод может дать лишь усредненную структуру.

Кристаллические структуры предлагаемых моделей на основе WB5 / ©onlinelibrary.wiley.com

Если материал неупорядоченный, полного понимания его кристаллической структуры, включая локальное расположение атомов, можно добиться только с помощью сочетания экспериментальных и вычислительных методов», — сказал старший научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи Александр Квашнин.

В 2017 году сотрудники Сколтеха Андрей Осипцов и Артем Оганов предложили идею поиска новых сверхтвердых материалов для композитных резцов долота, используемого для бурения нефтегазовых скважин. Эта идея понравилась Научно-Техническому Центру «Газпром нефти» — так началось ее сотрудничество со Сколтехом. Группа под руководством Оганова предсказала существование пентаборида вольфрама WB5, который по твердости превосходил широко используемый карбид вольфрама, а по устойчивости к образованию трещин был с ним сопоставим. Соединение в итоге успешно синтезировали в Институте физики высоких давлений имени Верещагина.

а) Фотографии кристаллов WB5-x , сделанные при помощи электронного микроскопа; b) отпечатки алмазного индентора Роквелла на WB5-x (слева) и на твердом сплаве (справа) / ©onlinelibrary.wiley.com

В новом исследовании Оганов и его коллеги показывают, что тот самый загадочный WB4 и новый пентаборид вольфрама WB5 — на самом деле один и тот же материал. «Мы изучали систему вольфрам-бор, чтобы предсказать существование стабильной структуры высших боридов вольфрама, так как знали об этой давней загадке. Предсказание структуры WB5 стало для нас сюрпризом, особенно из-за его удивительных свойств вроде твердости по Виккерсу и трещинностойкости, а также стабильности при очень высоких температурах.

Мы решили, что этот материал должен найти применение в промышленности, и наши коллеги из института имени Верещагина синтезировали его. Дифракционная картина очень хорошо соответствовала теоретическим предсказаниям за исключением нескольких слабых пиков, которые были в теории, но не в эксперименте. У нашего предсказанного WB5 идеальная монокристаллическая структура, но, как нам удалось показать, в экспериментах мы получили очень близкий к нему неупорядоченный WB5-x», — пояснил Квашнин.

Микроструктура образца WB5- x с минимальным содержанием WB2, показывающая плотный мелкокристаллический материал / ©onlinelibrary.wiley.com

Ученые синтезировали новый материал, изучили его свойства и обнаружили неожиданную связь двух соединений: кристаллическая структура этого высшего борида вольфрама похожа на структуру WB5 с некоторой неупорядоченностью и нестехиометрией (последнее означает, что пропорции химических элементов в его составе нельзя представить малыми целыми числами).

Поэтому новое соединение обозначили не как WB4, а как WB5−x. Его кристаллическую структуру предсказали с помощью эволюционного алгоритма USPEX, разработанного Огановым и его студентами, и развили с помощью микроскопической решеточной модели. Поскольку WB5-x достаточно легко синтезировать, его превосходные механические свойства и стабильность при высоких температурах делают его перспективной альтернативой композитам на основе карбида вольфрама, которые чаще всего использовались во многих технологиях последние 90 лет.

«Загадка WB4 разгадана полностью: у нас есть детальное описание этого материала и его структуры, мы знаем весь диапазон химических составов, который он может иметь, и его свойства. Впереди у теоретиков другие интересные загадки», — заключил Артем Оганов. В исследовании также принимали участие специалисты Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН и Института физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
8 часов назад
48 минут
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?

Вчера, 11:36
68 минут
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

Вчера, 15:39
5 минут
Илья Ведмеденко

Специалистам «Роскосмоса» удалось запустить основные двигатели нового модуля «Наука». Ранее сообщалось о технических неполадках, возникших после старта.

8 часов назад
48 минут
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?

Вчера, 11:36
68 минут
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

21 июля
4 минуты
Сергей Васильев

До сих пор было неизвестно, могут ли плоды передавать сигналы материнскому растению, но опыты, поставленные на томатах, показали, что это действительно происходит.

13 июля
5 минут
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
7 минут
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.

11 июля
28 минут
Александр Березин

Еще год назад почти все были уверены, что эпидемия быстро закончится. Ведь научные исследования говорили: иммунитет переболевших очень сильный, а повторные заболевания крайне редки. Российские власти все еще верят в это: глава Роспотребнадзора Анна Попова утверждает, будто повторно болеет только 1%. От этого в России до сих пор ждут достижения «группового иммунитета» осенью — и, разумеется, снятия ковидных ограничений. К сожалению, это пустые надежды. Данные из других стран вообще не показывают реальной возможности достичь группового иммунитета за счет переболевших. Разбираемся в деталях.

[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: