Раскрыта 60-летняя тайна сверхтвёрдого материала
Бориды вольфрама впервые привлекли внимание учёных в середине XX века благодаря своей твёрдости и другим интересным механическим свойствам. Одна из давних загадок, связанных с этими соединениями — кристаллическая структура соединения WB4, высшего борида вольфрама, которая сильно различается в экспериментальных моделях и теоретических предсказаниях разных групп. Экспериментально кристаллическая структура определяется рентгеноструктурным анализом. Но большая разница в атомных эффективных сечениях рассеяния (тяжелый вольфрам по сравнению с легким бором) делает позиции атомов бора в переходных боридах металлов едва различимыми для такого анализа.
Эту проблему можно решить дифракцией нейтронов, и это было сделано недавно, но любой дифракционный метод может дать лишь усредненную структуру. Если материал неупорядоченный, полного понимания его кристаллической структуры, включая локальное расположение атомов, можно добиться только с помощью сочетания экспериментальных и вычислительных методов, утверждает старший научный сотрудник Сколтеха Александр Квашнин.
В 2017 году сотрудники Сколтеха Андрей Осипцов и Артём Оганов предложили идею поиска новых сверхтвёрдых материалов для композитных резцов долота, используемого для бурения нефтегазовых скважин. Группа под руководством Оганова предсказала существование пентаборида вольфрама WB5, который по твёрдости превосходил широко используемый карбид вольфрама, а по устойчивости к образованию трещин был с ним сопоставим. Соединение в итоге успешно синтезировали в Институте физики высоких давлений имени Верещагина.
В новом исследовании учёные показывают, что загадочный WB4 и новый пентаборид вольфрама WB5 на самом деле являются одним и тем же материалом. Они синтезировали новый материал, изучили его свойства и обнаружили неожиданную связь двух соединений: кристаллическая структура высшего борида вольфрама похожа на WB5 с некоторой неупорядоченностью и нестехиометрией.
Поэтому новое соединение обозначили не как WB4, а как WB5-x. Его кристаллическую структуру предсказали с помощью эволюционного алгоритма USPEX, разработанного Огановым и его студентами, и развили с помощью микроскопической решёточной модели. Поскольку WB5-x достаточно легко синтезировать, его механические свойства и стабильность при высоких температурах делают его перспективной альтернативой композитам на основе карбида вольфрама, которые чаще всего использовались во многих технологиях последние 90 лет.
