Forskere beregner krystalstruktur af superhårde molybdænborider

I deres søgen efter nye superhårde forbindelser, forskere har udført en forudsigelse af stabile molybdænborider og deres krystalstrukturer. De afslørede, at de højeste borider indeholder fire til fem boratomer pr. hvert molybdænatom. Den estimerede Vickers hårdhed af MoB5 er 37 til 39 GPa, hvilket gør det til et potentielt superhårdt materiale. Undersøgelsen blev offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters .

Tidligere, en gruppe forskere ledet af Artem Oganov, professor ved Skoltech og MIPT, offentliggjort en undersøgelse i Journal of Applied Physics hvori de kompilerede en liste over hårde og superhårde materialer, der kan have nyttige industrielle anvendelser. denne liste, lavet ved hjælp af den evolutionære algoritme USPEX og ny model af Vickers hårdhed (tryk nødvendigt for at efterlade en pyramideformet fordybning i materialet) og brudsejhed (et materiales evne til at modstå udbredelse af et brud), blev kaldt et "skattekort" for eksperimentatorer af forfatterne.

I det nye blad, videnskabsmænd fra Skoltech, Moskva Institut for Fysik og Teknologi, A. M. Prokhorov General Physics Institute of RAS, Pirogov Russian National Research Medical University, og Northwestern Polytechnical University (Xi'an, PRC) studerede molybdænborider-regionen på kortet. Overgangsmetalborider er en potentiel erstatning for traditionelle hårde legeringer og superhårde materialer i teknologiske anvendelser. I modsætning til meget brugt diamant og kubisk bornitrid, overgangsmetalborider kræver ikke højt tryk for deres syntese, gør deres produktion billigere.

Den højvalenselektrondensitet af metalatomerne modstår kompression på grund af elektroner, der frastøder hinanden, og kovalente bor-bor og bor-metal-bindinger modstår elastiske og plastiske deformationer.

"De simulerede røntgendiffraktionsmønstre (XRD) sammenlignes normalt med dem, der er foreslået i eksperimentet for at afgøre, om den forudsagte struktur er kompatibel med den eksperimentelle. overvejer overgangsmetalborider, såsom molybdænborider, XRD-mønsteret vil kun vise signaler fra de tungere atomer, mens positionerne af de lette boratomer i det væsentlige vil være usynlige. Dette er grunden til, at krystalstrukturmodeller, der kun er baseret på eksperimentelle data, ofte er urealistiske og ustabile. Derfor, en omfattende tilgang til bestemmelse af krystalstrukturer kræver state-of-the-art teoretiske beregninger, " siger Alexander Kvashnin, en af ​​forfatterne og seniorforsker ved Skoltech og MIPT.

Molybdænpentaborid MoB ₅ viste sig at være den stabile højeste borid, imidlertid, de simulerede XRD-mønstre var tætte, men ikke identiske med de eksperimentelle data. Det forudsagte pentaborid havde nogle få svage toppe, som ikke blev observeret i eksperimenterne. Dette antydede en højere symmetri i den eksperimentelle prøve. Nøglestrukturelle elementer i den nye forbindelse er boratomer arrangeret i grafenlignende lag, molybdæn lag, og trekanter af boratomer. Bor- og molybdænatomer er arrangeret i skiftende lag med nogle Mo-atomer erstattet med B ₃ trekanter spredt jævnt over hele krystallens volumen.

"Vi lavede en hypotese om, at strukturen af ​​det højeste borid er uordnet, og bortrekanter statistisk erstatter molybdænatomer. For at bevise det, vi udviklede en gittermodel, der gjorde det muligt for os at definere reglerne, der styrede, hvordan borenhederne skulle placere sig for at opnå den laveste energi, " siger Dmitry Rybkovskiy, forskningsstipendiat ved Skoltech og A. M. Prokhorov General Physics Institute og værkets første forfatter.

Den brute-force-søgning efter positionerne af molybdænatomer og bortrekanter, prøve forskellige varianter, afslørede mønstrene relateret til stabilitet. Stabile faser indeholder fire til fem boratomer pr. et metalatom, og MoB _4.7 er den mest stabile af sådanne forbindelser og giver det bedste match til det eksperimentelle XRD-mønster.

"Denne undersøgelse er et interessant eksempel på interaktion mellem teori og eksperiment. Teori forudsagde en forbindelse, der demonstrerer ejendommelige egenskaber og ny struktur, men eksperimentet antydede, at det faktiske materiale er mere komplekst, og dets struktur er delvist uordnet. Teorien, vi formulerede baseret på disse fund, gjorde det muligt for os at reproducere alle eksperimentelle observationer og forstå den nøjagtige sammensætning og struktur af dette materiale, samt dens detaljerede egenskaber. I særdeleshed, den beregnede hårdhed er tæt på rækken af ​​superhårde materialer, " sagde Artem Oganov, professor ved Skoltech og MIPT, og lederen af ​​holdet af forfattere.

Superhårde materialer har en bred vifte af industrielle anvendelser, såsom maskinværktøjsbygning, smykker, eller minedrift. De bruges til skæring, polering, slibning, boring, så søgen efter nye superhårde forbindelser er en vigtig opgave.