Химики предсказали существование сверхтвердого пентаборида вольфрама

Химики-теоретики предсказали существование при комнатной температуре нескольких неизвестных ранее устойчивых кристаллических фаз в бинарной системе вольфрам-бор. Согласно результатам вычислений одно из этих соединений, пентаборид вольфрама WB5, по твердости уступает лишь алмазу и кристаллическому нитриду бора. Если такой кристалл удастся синтезировать в реальности, то он может стать заменой другим современным сверхтвердым материалам, таким как победит, пишут ученые в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Известно, что вольфрам и бор могут образовывать между собой довольно много устойчивых кристаллических структур. Наиболее устойчивы при комнатной температуре две фазы состава WB и еще три соединения: WB2, W2B, WB4. Все эти вещества плавятся при температурах выше 1000 градусов Цельсия, довольно инертны и обладают высокой твердостью (превосходя по ней, например, карбиды или силициды вольфрама). Из-за большого числа возможных соединений различного состава, их химических и физических свойств, система вольфрам-бор привлекала материаловедов как потенциальный источник сверхтвердых кристаллов, которые могут по своим механическим характеристикам конкурировать с теми материалами, которые используются сейчас. Тем не менее, несмотря на большое количество как экспериментальных, так и теоретических исследований, эта бинарная система до сих оставалась изучена не до конца.

Химики-теоретики из России, Армении и Китая под руководством Артема Оганова (Artem R. Oganov) из Сколковского института науки и технологии решили с помощью компьютерного моделирования более подробно исследовать фазовую диаграмму системы вольфрам-бор и обнаружили, что, кроме известных кристаллических фаз, эти элементы могут формировать еще три устойчивых соединения, неизвестных ранее: триборид тетравольфрама (W4B3), пентаборид гексавольфрама (W6B5) и пентаборид вольфрама (WB5). Существование всех известных кристаллических структур в ходе моделирования также было подтверждено.

Для моделирования использовался комбинированный алгоритм, основанный на использовании метода теории функционала плотности в рамках обобщенного градиентного приближения (generalized gradient approximation) и метода проекционных соединительных волн. В результате такого подхода ученым удалось обнаружить все возможные кристаллические фазы в системе, а также исследовать их устойчивость и механические свойства в зависимости от температуры.

Оказалось, что все из обнаруженных фаз — тугоплавкие и сверхтвердые. Наиболее интересным с точки зрения возможного промышленного использования оказался пентаборид вольфрама WB5, который по своим механическим характеристикам сравним с победитом — сплавом, состоящим из карбида вольфрама с добавками кобальта и углерода, — который сейчас используется в режущих и буровых инструментах. Твердость пентаборида вольфрама по Виккерсу составила 45 гигапаскалей (это в полтора раза больше, чем у победита), а устойчивость к образованию трещин — примерно 4 мегапаскаля на квадратный корень из метра (у победита она больше, но всего на 20 процентов).

Кроме того, по данным моделирования, свои свойства пентаборид вольфрама сохраняет и при очень высоких температурах (как минимум до двух тысяч градусов Цельсия) — например, твердость при таком нагреве падает только до 27 гигапаскалей. Поэтому если такое вещество удастся синтезировать в реальности, то оно может оказаться конкурентом победиту и другим сверхтвердым материалам, которые используются сейчас в различных технологических процессах.
Если для буровых технологий в качестве устойчивого сверхтвердого материала обычно применяется именно победит, то для научных целей, когда объем необходимого твердого вещества намного меньше, чаще используют еще более твердые алмазы. Например, именно алмазы используются в специальных наковальнях для создания очень больших давлений, которые помогают получать твердый водород или заставляют реагировать между собой химически инертные газы.

Читайте также

Новости партнеров

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.