Новости науки

Разработанный российскими учеными алгоритм компьютерного моделирования кристаллических структур позволил предсказать потенциальные сверхтвердые соединения, сравнимые по твердости с алмазом.

Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.Ранее российские физики под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова создали эволюционный алгоритм предсказания кристаллических структур USPEX, а затем на его основе предложили список твердых и сверхтвердых материалов, имеющих потенциальное приложение во многих областях промышленности.

Этот список ученые назвали «картой сокровищ» для экспериментаторов.Наибольший интерес на этой «карте сокровищ» представляют соединения, у которых высокая твердость по Виккерсу — давление, необходимое, чтобы получить отпечаток пирамидальной формы на материале, сочетается с трещинностойкостью — способностью материала сопротивляться распространению трещин. Прежде всего, это — бориды переходных металлов. 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 крепкие ковалентные связи бор-бор и бор-металл обеспечивают прочность при упругой и пластической деформациях.

В предыдущей работе ученые нашли одну ранее неизвестную структуру борида вольфрама — пентаборид WB₅ и выяснили, что она является сверхтвердой. В новой 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 в городе Сиань (Китай) исследовали свойства боридов молибдена.Наиболее энергетически выгодными с точки зрения создания среди таких соединений оказались высшие бориды молибдена, в которых на один атом молибдена приходится от четырех до пяти атомов бора. Самый стабильный из них — пентаборид молибдена MoB₅, обладает расчетной твердостью по Виккерсу 37-39 гигапаскалей, что позволяет рассматривать его в качестве потенциального сверхтвердого материала, способного заменить традиционно используемые твердые сплавы и сверхтвердые материалы в ряде технологических приложений.Основные структурные элементы нового соединения — графеноподобные слои атомов бора, слои атомов молибдена и треугольники 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", — приводятся в пресс-релизе слова первого автора работы Дмитрия Рыбковского, научного сотрудника Сколтеха и ИОФ им. А.М. Прохорова РАН.Компьютерный перебор вариантов расположения атомов молибдена и треугольников бора позволил выявить закономерности, в соответствии с которыми формируются наиболее стабильные соединения, где на один атом металла приходится от четырех до пяти атомов бора. Наиболее стабильным составом оказался MoB_4.7.

Это очень близко к теоретическому соединению MoB₅, предсказанному эволюционным алгоритмом USPEX."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", — говорит руководитель исследования Артем Оганов.Сверхтвердые вещества имеют широкий спектр применения — станкостроение, ювелирное дело, разработка месторождений, они используются при резке, полировании, шлифовании, бурении.

Российские ученые назвали потенциальные сверхпроводящие соединения

Исследователи из Сколтеха и МФТИ открыли новое химическое правило — они установили связь между положением элемента в Периодической таблице и его способностью к образованию высокотемпературного сверхпроводящего гидрида. Результаты исследования представлены в статье в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science.Сверхпроводящие материалы, обладающие нулевым сопротивлением и способные передавать электричество без потерь, представляют огромный интерес с точки зрения практического использования в электронике и энергосетях. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются в аппаратах МРТ и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.Свойство сверхпроводимости возникает у материалов либо при очень низких температурах, либо при очень высоких давлениях. И то и другое требует огромных затрат и усилий, при этом заранее непонятно, при каких условиях у того или иного потенциально сверхпроводящего материала обнаружатся необходимые качества.

Поэтому перед учеными стоит задача достоверно определить теоретическим путем тот круг соединений, работа с которыми будет наиболее эффективна. Результаты исследований показывают, что у металлического водорода сверхпроводимость может проявляться и при температуре, близкой к комнатной, но для этого необходимо обеспечить давление на пределе сегодняшних технических возможностей — более 4 миллионов атмосфер. Поэтому взгляды ученых обращены в сторону гидридов — соединений водорода с другими химическими элементами, которые смогут переходить в сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах и относительно низких давлениях.

Пока рекордсменом по температуре перехода является декагидрид лантана LaH₁₀, у которого сверхпроводящие свойства появляются при температуре минус 23 градуса Цельсия и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Такой уровень давления вряд ли даст возможность практических применений, но, тем не менее, результат показывает, что поиск высокотемпературных проводников среди гидридов металлов идет в правильном направлении.

Ученые из Сколтеха и МФТИ в сотрудничестве с коллегами из Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М. В. Ломоносова и при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ) создали компьютерную модель, с помощью которой можно предсказывать максимальную критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (maxT_C) гидридов, исходя только из электронной структуры атомов металлов, входящих в их состав. Это открытие существенно облегчает задачу поиска новых сверхпроводящих гидридов.Ученые не только выявили важную качественную закономерность, но и провели обучение нейронной сети для предсказания значения maxT_C для соединений, по которым отсутствуют экспериментальные или теоретические данные.

Для некоторых элементов в ранее опубликованных результатах наблюдались отклонения. Исследователи решили проверить эти данные, используя для этой цели эволюционный алгоритм USPEX, разработанный одним из авторов исследования, профессором Артемом Огановым и его учениками, и позволяющий предсказывать термодинамически стабильные гидриды."В отношении элементов, у которых, согласно опубликованным данным, наблюдались слишком низкие или слишком высокие, по условиям нового правила, значения maxT_C, мы провели систематический поиск стабильных гидридов и в результате не только подтвердили справедливость нового правила, но и получили целый ряд новых гидридов таких элементов, как магний, стронций, барий, цезий и рубидий", — приводятся в пресс-релизе РНФ слова одного из авторов работы, старшего научного сотрудника Сколтеха и преподавателя МФТИ Александра Квашнина.

В частности, было установлено, что у гексагидрида стронция SrH₆ значение maxT_C составляет 189 Кельвинов (минус 84 градуса Цельсия) при давлении 100 гигапаскалей, а у теоретического супергидрида бария BaH₁₂ оно может достигать 214 Kельвинов (минус 59 градусов Цельсия). «Имея в арсенале новое правило и нейронную сеть, мы можем сосредоточить наши усилия на поиске более сложных и перспективных соединений, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это тройные супергидриды, состоящие из двух элементов и водорода. Нам уже удалось предсказать несколько гидридов, которые вполне могут конкурировать с LaH₁₀ и даже превосходить его», — говорит первый автор работы, аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок.

 © i

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.