Forskere løser et 60-årigt puslespil om et superhårdt materiale

Skoltech forskere, sammen med deres industrielle kolleger og akademiske partnere, har knækket et puslespil fra 1960'erne om krystalstrukturen af ​​et superhardt wolframborid, der kan være yderst nyttigt i industrielle applikationer, herunder boreteknologi. Forskningen, støttet af Gazpromneft Science &Technology Center, blev offentliggjort i tidsskriftet Avanceret Videnskab .

Tungsten borider fangede først videnskabsmænds fantasi i midten af ​​det 20. århundrede på grund af deres hårdhed og andre fascinerende mekaniske egenskaber. Et mangeårigt puslespil har været krystalstrukturen i de højeste W-B faser, den såkaldte WB ₄ , som varierede voldsomt mellem eksperimentelle modeller og teoretiske forudsigelser.

"Eksperimentelt, krystalstrukturen bestemmes ved røntgenstrukturanalyse. Men den store forskel i atomspredningstværsnit (tungt wolfram sammenlignet med let bor) gør, at positioner af boratomer i overgangsmetalborider næppe kan skelnes ved røntgendiffraktion. Dette kan løses ved neutrondiffraktion, men enhver diffraktionsmetode kan kun give den gennemsnitlige struktur. Hvis materialet er uordentligt, den fulde viden om dens krystalstruktur (inklusive lokal placering af atomerne) kan kun opnås ved hjælp af en kombination af eksperimentelle teknikker (røntgen, neutrondiffraktion) og beregningsmetoder inden for materialevidenskab, "Alexander Kvashnin, Skoltech senior forsker og første forfatter af undersøgelsen, forklaret.

I 2017 Andrei Osiptsov og Artem R. Oganov på Skoltech foreslog en idé om at søge efter superhårde materialer, der skal bruges til fremstilling af kompositskærere installeret på bits, som bruges til at bore olie- og gasbrønde. Ideen blev godt modtaget af Gazpromneft STC LLC, og samarbejdet begyndte mellem virksomheden, Skoltech, og Vereshchagin Institute for High Pressure Physics af RAS. Forskere ledet af Artem R. Oganov fra Skoltech og MIPT forudsagde eksistensen af ​​WB ₅ , wolfram pentaborid, som forventedes at være hårdere end det udbredte wolframcarbid og have sammenlignelig brudsejhed. Forbindelsen blev med succes syntetiseret i laboratoriet på Vereshchagin Institute for at fuldføre forskningsløkken. I det nye blad, Oganov og hans kolleger viser, at den længe debatterede WB ₄ og den nyligt forudsagte WB ₅ faktisk er det samme materiale.

"Vi studerede W-B-systemet for at forudsige den stabile struktur af højere wolframborider, som vi allerede havde kendt om dette mangeårige puslespil. Forudsige en ny WB ₅ strukturen var en overraskelse, især da den har spændende egenskaber som høj Vickers hårdhed og brudsejhed og forbliver stabil ved meget høje temperaturer. Så troede vi, at dette materiale skulle finde anvendelse i branchen. Vores kolleger fra Vereshchagin Institute syntetiserede det med succes. Diffraktionsmønstrene matchede teoretisk forudsigelse meget godt, undtagen et par svage toppe, der var til stede i teorien, men ikke i forsøget. Vores forudsagte WB ₅ har perfekt enkelt krystal struktur, men som vi viste, eksperimenter frembragte en nært beslægtet uorden WB _5-x materiale, " forklarede Kvashnin.

Forskerne syntetiserede dette nye materiale, målte dens egenskaber, og afslørede en uventet forbindelse mellem de to forbindelser:det nye materiale har en krystalstruktur afledt af WB ₅ struktur, med en vis mængde uorden og ikke-støkiometri (dette betyder, at proportioner af dens grundstofsammensætning ikke kan repræsenteres af et forhold mellem små heltal). Dermed, det nye materiale blev ikke betegnet som WB ₄ men som WB _{5 − x} . Dens krystalstruktur blev næsten forudsagt af USPEX, en evolutionær algoritme udviklet af Oganov og hans elever, og udarbejdet af en mikroskopisk gittermodel.

Siden WB _5-x er relativt let at syntetisere, dets fremragende mekaniske egenskaber og stabilitet ved høje temperaturer gør det til et meget lovende materiale til mange teknologier, hvor wolframcarbid-baserede kompositter har domineret i de sidste 90 år.

"Dette puslespil er løst i detaljer. Vi har en detaljeret mikroskopisk beskrivelse af dette materiale og dets struktur, vi kender rækken af ​​kemiske sammensætninger, den kan vedtage, og dens egenskaber. Andre spændende gåder venter på teoretikeres opmærksomhed, " sagde Artem R. Oganov.