Atomarrangemang i den högsta molybdenboriden (MoB5-x) kristall Kredit:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Lett.
I deras jakt på nya superhårda föreningar, forskare har genomfört en förutsägelse av stabila molybdenborider och deras kristallstrukturer. De avslöjade att de högsta boriderna innehåller fyra till fem boratomer per molybdenatom. Den uppskattade Vickers hårdheten för MoB5 är 37 till 39 GPa, vilket gör det till ett potentiellt superhårt material. Studien publicerades i Journal of Physical Chemistry Letters .
Tidigare, en grupp forskare under ledning av Artem Oganov, professor vid Skoltech och MIPT, publicerat en studie i Journal of Applied Physics där de sammanställde en lista över hårda och superhårda material som kan ha användbara industriella tillämpningar. Denna lista, gjord med hjälp av den evolutionära algoritmen USPEX och den nya modellen för Vickers hårdhet (tryck som krävs för att lämna en pyramidformad fördjupning i materialet) och sprickhållfasthet (materialets förmåga att motstå spridning av en fraktur), kallades en "skattkarta" för experimenter av sina författare.
I det nya papperet forskare från Skoltech, Moskva institutet för fysik och teknik, A. M. Prokhorov General Physics Institute of RAS, Pirogov Russian National Research Medical University, och Northwestern Polytechnical University (Xi'an, PRC) studerade molybdenboridregionen på kartan. Övergångsmetallborider är en potentiell ersättning för traditionella hårda legeringar och superhårda material i tekniska tillämpningar. Till skillnad från allmänt använd diamant och kubisk bornitrid, övergångsmetallborider kräver inte högt tryck för sin syntes, gör deras produktion billigare.
Hårda och superhårda material på "skattkartan". Symbolens horisontella läge återspeglar dess sprickmotstånd och dess vertikala läge återspeglar dess Vickers hårdhet. Svarta symboler representerar kända material, de blå representerar nya material; symboler markerade med en röd fläck indikerar material som är stabila vid omgivande förhållanden Kredit:Alexander G. Kvashnin, Journal of Applied Physics
Högvalens elektrontäthet av metallatomerna motstår kompression på grund av att elektroner stöter bort varandra, och kovalenta bor-bor- och bor-metallbindningar motstår elastiska och plastiska deformationer.
"De simulerade röntgendiffraktionsmönstren (XRD) jämförs vanligtvis med de som föreslås i experimentet för att avgöra om den förutsagda strukturen är kompatibel med den experimentella. Men överväger övergångsmetallborider, såsom molybdenborider, XRD -mönstret visar bara signaler från de tyngre atomerna medan positionerna för de lätta boratomerna kommer att vara i huvudsak osynliga. Det är därför kristallstrukturmodeller som enbart bygger på experimentella data ofta är orealistiska och instabila. Därför, ett heltäckande tillvägagångssätt för att bestämma kristallstrukturer kräver toppmoderna teoretiska beräkningar, säger Alexander Kvashnin, en av författarna och en senior forskare vid Skoltech och MIPT.
Molybden pentaboride MoB 5 befanns vara den stabila högsta boriden, dock, de simulerade XRD -mönstren var nära men inte identiska med experimentella data. Den förutsagda pentaboriden hade några svaga toppar som inte observerades i experimenten. Detta antydde en högre symmetri i experimentprovet. Viktiga strukturella element i den nya föreningen är boratomer arrangerade i grafenliknande lager, molybdenlager, och trianglar av boratomer. Bor- och molybdenatomer är arrangerade i alternerande lager med några Mo -atomer ersatta med B 3 trianglar sprids jämnt över kristallens volym.
Olika molybdenboridkristallstrukturer erhållna med USPEX -algoritmen Kredit:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Lett.
"Vi gjorde en hypotes om att strukturen för den högsta boriden är störd och bor trianglar statistiskt ersätter molybdenatomer. För att bevisa att, vi utvecklade en gittermodell som gjorde det möjligt för oss att definiera reglerna som styr hur borenheterna ska positionera sig för att uppnå lägsta energi, "säger Dmitry Rybkovskiy, forskare vid Skoltech och A. M. Prokhorov General Physics Institute och den första författaren till verket.
Brute-force-sökningen efter positionerna för molybdenatomer och bortrianglar, provtagning av olika varianter, avslöjade mönstren relaterade till stabilitet. Stabila faser innehåller fyra till fem boratomer per en metallatom, och MoB 4.7 är den mest stabila av sådana föreningar och ger den bästa matchningen till det experimentella XRD -mönstret.
"Denna studie är ett intressant exempel på interaktion mellan teori och experiment. Teori förutspådde en förening som demonstrerar säregna egenskaper och ny struktur, men experimentet föreslog att det faktiska materialet är mer komplext och att dess struktur är delvis störd. Teorin vi formulerade baserat på dessa fynd tillät oss att reproducera alla experimentella observationer och förstå den exakta sammansättningen och strukturen för detta material, liksom dess detaljerade egenskaper. Särskilt, den beräknade hårdheten ligger nära intervallet för superhårda material, "sa Artem Oganov, professor vid Skoltech och MIPT, och ledaren för författarteamet.
Superhårda material har ett brett utbud av industriella tillämpningar, såsom byggande av verktygsmaskiner, Smycken, eller gruvdrift. De används vid skärning, putsning, slipning, borrning, så sökandet efter nya superhårda föreningar är en viktig uppgift.
