Расположение атомов в кристалле высшего борида молибдена (MoB5-x). Источник: Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Lett
В поисках новых сверхтвердых соединений исследователи провели компьютерное предсказание составов и структур стабильных боридов молибдена. Оказалось, что в высших боридах на один атом молибдена приходится от четырех до пяти атомов бора (высшие бориды), и их теоретическая твердость по Виккерсу составляет до 37-39 ГПа, что близко к границе сверхтвердых материалов. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Ранее группа ученых 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 трещиностойкости (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. Источник: 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.
«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. Источник: 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 B3 из атомов бора. Слои бора и слои молибдена чередуются между собой, при этом часть атомов молибдена замещена B3-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 автор работы, научный сотрудник Сколтеха и ИОФ им. 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 дала идеальное согласие с экспериментом и позволила 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.
