Исследователи Сколтеха вместе со своими коллегами по промышленности и научными партнерами взломали загадку 1960-х годов о кристаллической структуре сверхтвердого борида вольфрама, которая может быть чрезвычайно полезна в промышленности, включая технологии бурения. Исследование, поддержанное Научно-техническим центром «Газпромнефть», было опубликовано в журнале Advanced Science.
[penci_related_posts title=”Вам также может быть интересно” number=”4″ style=”list” align=”none” displayby=”cat” orderby=”random”]
Впервые бориды вольфрама захватили воображение ученых в середине 20-го века из-за их твердости и других захватывающих механических свойств. Одна давняя загадка была кристаллическая структура самых высоких фаз WB, так называемого WB 4 который сильно различался между экспериментальными моделями и теоретическими предсказаниями.
«Экспериментально кристаллическая структура определяется с помощью рентгеноструктурного анализа. Но большая разница в сечениях атомного рассеяния (тяжелый вольфрам по сравнению с легким бором) делает позиции атомов бора в боридах переходных металлов трудно различимыми с помощью дифракции рентгеновских лучей. может быть решен с помощью нейтронографии , но любой дифракционный метод может дать только среднюю структуру. Если материал неупорядочен, полное знание его кристаллической структуры (включая локальное расположение атомов) может быть получено только с использованием комбинации экспериментальных методов ( Рентгеновские, нейтронографические) и вычислительные методы материаловедения », объяснил Александр Квашнин, старший научный сотрудник Сколтех и первый автор исследования.
В 2017 году Андрей Осипцов и Артем Р. Оганов из Skoltech предложили идею поиска сверхтвердых материалов, которые будут использоваться для изготовления композитных фрез, установленных на долотах, которые используются для бурения нефтяных и газовых скважин. Идея была хорошо принята ООО «Газпромнефть НТЦ» и началось сотрудничество между компанией «Сколтех» и Институтом физики высоких давлений РАН им. Верещагина.
Исследователи во главе с Артемом Р. Огановым из Сколтеха и МФТИ предсказали существование WB 5 , пентаборида вольфрама, который, как ожидается, будет тверже, чем широко используемый карбид вольфрама, и будет иметь сопоставимую вязкость разрушения. Соединение было успешно синтезировано в лаборатории Института Верещагина для завершения цикла исследований. В новой статье Оганов и его коллеги показывают, что давно обсуждается WB 4и вновь предсказанный WB 5 фактически является тем же материалом.
«Мы изучили систему WB, чтобы предсказать стабильную структуру высших боридов вольфрама, как мы уже знали об этой давнишней головоломке. Предсказании новой WB – структура была неожиданностью, тем более, что имеют интересные свойства , как высокая твердость по Виккерсу и разрушение прочность и остается стабильной при очень высоких температурах. Тогда мы подумали, что этот материал должен найти применение в промышленности. Наши коллеги из Института Верещагина успешно его синтезировали. Дифракционные картины очень хорошо соответствовали теоретическому предсказанию, за исключением нескольких слабых пиков, которые присутствовали в теории, но не в эксперименте. Наш предсказанный WB 5 имеет идеальную монокристаллическую структуру, но, как мы показали, эксперименты дали тесно связанный неупорядоченный WB 5-x материал “, объяснил Квашнин.
Исследователи синтезировали этот новый материал, измерили его свойства и обнаружили неожиданную связь между двумя соединениями: новый материал имеет кристаллическую структуру, полученную из структуры WB 5 , с некоторым количеством беспорядка и нестехиометрии (это означает, что пропорции его элементарной композиция не может быть представлена соотношением малых целых чисел). Таким образом, новый материал был обозначен не как WB 4, а как WB 5-x . Его кристаллическая структура была полностью предсказана USPEX, эволюционным алгоритмом, разработанным Огановым и его учениками и разработанным с помощью микроскопической модели решетки.
Поскольку WB 5-x относительно легко синтезировать, его превосходные механические свойства и стабильность при высоких температурах делают его очень перспективным материалом для многих технологий, где композиты на основе карбида вольфрама доминировали в 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.
Источник: Advanced Science