В Сколтехе разгадали 60-летнюю загадку сверхтвердого материала — Naked Science
9 минут
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.
Сколтех
118 статей
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.
10 часов назад
31 минута
Редакция

Трагическая новость о взрыве огромной силы в Бейруте, занявшая первые строчки новостных ресурсов, вызывает естественные вопросы: как это могло произойти, что там взорвалось, в силу каких факторов возможны подобные происшествия? Чтобы разобраться, взглянем пристальнее на свойства аммиачной селитры и связанные с ней опасные моменты.

3 часа назад
5 минут
Денис Гордеев

Новая система работает в любых атмосферных условиях — при дожде, ветре и большом количестве пыли в воздухе.

8 часов назад
7 минут
Ольга Иванова

Антрополог из Цюрихского университета Ицхак Бен Мокко провел исследование, посвященное человеческим репродуктивным привычкам. В частности, он попытался ответить на вопрос, почему люди предпочитают заниматься сексом наедине, в то время как почти все остальные животные делают это в присутствии сородичей.

3 августа
5 минут
Сергей Васильев

Микроскоп с высокоскоростной камерой и компьютерное моделирование показали, что сперматозоиды плавают не за счет боковых движений хвоста, а быстро вращаясь всем телом.

10 часов назад
31 минута
Редакция

Трагическая новость о взрыве огромной силы в Бейруте, занявшая первые строчки новостных ресурсов, вызывает естественные вопросы: как это могло произойти, что там взорвалось, в силу каких факторов возможны подобные происшествия? Чтобы разобраться, взглянем пристальнее на свойства аммиачной селитры и связанные с ней опасные моменты.

3 часа назад
5 минут
Денис Гордеев

Новая система работает в любых атмосферных условиях — при дожде, ветре и большом количестве пыли в воздухе.

22 июля
66 минут
Александр Березин

С 2064 года численность людей начнет сокращаться — и этот процесс может быть необратим. Один из авторов соответствующей научной работы прямо указывает: если ничего не изменится, через несколько веков человечество вымрет. Однако есть вещи и похуже вымирания. Куда вероятнее иной сценарий: мир будет заселен теми, кто сможет размножаться в новых культурных условиях. К сожалению, значительная часть современных европейцев, американцев и, возможно, других народов будут вытеснены с первых страниц истории. Вдобавок те, кто победят в этой непростой борьбе, нам, сегодняшнему населению Земли, могут сильно не понравиться. Попробуем разобраться почему.

10 июля
7 минут
Мария Кривоченко

Биологи выяснили, какое воздействие оказывают радиоволны на эмбрионы рыб. Оказалось, они существенно не влияют на уровень смертности, морфологию и реакцию на свет, но немного подавляют сенсомоторные функции. Как это скажется на взрослых особях, еще предстоит выяснить.

12 июля
28 минут
Илья Ведмеденко

Программа ПАК ДП (перспективный авиационный комплекс дальнего перехвата) привлекает к себе все больше внимания. Разберемся, что это такое и появится ли у России новый боевой самолет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: