Сверхтвердые вещества имеют широкий спектр применения — станкостроение, ювелирное дело, разработка месторождений, они используются при резке, полировании, шлифовании, бурении. В поисках новых сверхтвердых соединений, сравнимых по твердости с алмазом, исследователи группы профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова провели компьютерное моделирование кристаллической структуры боридов молибдена и нашли наиболее энергетически выгодные соединения. О достигнутых результатах сообщается в совместном пресс-релизе Сколтеха и Московского физико-технического института.
Оказалось, что наиболее энергетически выгодными являются соединения, в которых на один атом молибдена приходится от четырех до пяти атомов бора (высшие бориды), причем наиболее стабильным из них является пентаборид. Рассчитанная твердость MoB5 по Виккерсу составила 37–39 ГПа, что позволяет рассматривать его как потенциальный сверхтвердый материал. Работа опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Рисунок 1. Расположение атомов в кристалле высшего борида молибдена (MoB5-x). Источник: Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Lett.
Ранее группа физиков под руководством Артема Оганова 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 трещинностойкости (способности материала сопротивляться распространению трещин), ученые назвали «картой сокровищ» для экспериментаторов.
Рисунок 2. 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. В предыдущей работе ученые нашли новую, ранее неизвестную структуру борида вольфрама: WB5, пентаборид, и выяснили, что она является сверхтвердой.
«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.
Рисунок 3. 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 В3 из атомов бора. Слои бора и слои молибдена чередуются между собой, при этом часть атомов молибдена замещена В3-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 первый автор работы Дмитрий Рыбковский, научный сотрудник Сколтеха и Института общей физики 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 дала идеальное согласие с экспериментом и позволила понять точные состав и структуру, а также свойства этого материала в деталях», — сказал руководитель авторского коллектива Артем Оганов.
