Учёные Сколтеха разгадали 60-летнюю загадку сверхтвёрдого материала

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

Статья о научной работе, поддержанной Научно-техническим центром «Газпром нефти», опубликована в журнале Advanced Science.

Бориды вольфрама впервые привлекли внимание учёных в середине XX века благодаря своей твёрдости 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 (тяжёлый вольфрам по сравнению с лёгким 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 усреднённую структуру. 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 сверхтвёрдых материалов для композитных резцов долота, используемого для бурения нефтегазовых скважин. Эта идея понравилась Научно-техническому центру «Газпром нефти» – так началось её сотрудничество со Сколтехом. Группа под руководством Оганова предсказала существование пентаборида вольфрама WB5, который по твёрдости 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.

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 твёрдости 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.

Учёные 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 решёточной 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.

Источник: Сколтех
Иллюстрация: Павел Одинев / Сколтех

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

Помог ли вам материал?
0    0