Skoltech forskare, tillsammans med sina industriella kollegor och akademiska partners, har knäckt ett 1960-talspussel om kristallstrukturen hos en superhård volframborid som kan vara extremt användbar i industriella tillämpningar, inklusive borrteknik. Forskningen, stöds av Gazpromneft Science &Technology Center, publicerades i tidskriften Avancerad vetenskap .

Volframborider fångade först forskarnas fantasi i mitten av 1900-talet på grund av deras hårdhet och andra fascinerande mekaniska egenskaper. Ett långvarigt pussel har varit kristallstrukturen i de högsta W-B faserna, den så kallade WB ₄ , som varierade vilt mellan experimentella modeller och teoretiska förutsägelser.

"Experimentellt, kristallstrukturen bestäms genom röntgenstrukturanalys. Men den stora skillnaden i atomspridningstvärsnitt (tungt volfram jämfört med lätt bor) gör att positionerna för boratomer i övergångsmetallborider knappast kan urskiljas genom röntgendiffraktion. Detta kan lösas genom neutrondiffraktion, men vilken diffraktionsmetod som helst kan bara ge den genomsnittliga strukturen. Om materialet är stört, den fullständiga kunskapen om dess kristallstruktur (inklusive lokalt arrangemang av atomerna) kan endast erhållas med en kombination av experimentella tekniker (röntgen, neutrondiffraktion) och materialvetenskapens beräkningsmetoder, "Alexander Kvashnin, Skoltech senior forskare och första författare till studien, förklarade.

Under 2017, Andrei Osiptsov och Artem R. Oganov på Skoltech föreslog en idé att söka efter superhårda material som ska användas för att producera kompositskärare installerade på bitar, som används för att borra olje- och gaskällor. Idén mottogs väl av Gazpromneft STC LLC, och samarbetet inleddes mellan företaget, Skoltech, och Vereshchagin Institute for High Pressure Physics av ​​RAS. Forskare ledda av Artem R. Oganov från Skoltech och MIPT förutspådde existensen av WB ₅ , volfram pentaborid, som förväntades vara hårdare än den allmänt använda volframkarbiden och ha jämförbar brottseghet. Föreningen syntetiserades framgångsrikt i labbet vid Vereshchagin Institute för att slutföra forskningsslingan. I den nya tidningen, Oganov och hans kollegor visar att den länge omdiskuterade WB ₄ och den nyligen förutspådda WB ₅ är faktiskt samma material.

"Vi studerade W-B-systemet för att förutsäga den stabila strukturen hos högre volframborider, som vi redan visste om detta mångåriga pussel. Förutsäga en ny WB ₅ strukturen var en överraskning, speciellt som den har spännande egenskaper som hög Vickers hårdhet och brottseghet och förblir stabil vid mycket höga temperaturer. Då tyckte vi att detta material borde hitta tillämpning i branschen. Våra kollegor från Vereshchagin Institute syntetiserade det framgångsrikt. Diffraktionsmönstren matchade teoretisk förutsägelse mycket väl, förutom några svaga toppar som fanns i teorin, men inte i experimentet. Vår förutspådda WB ₅ har perfekt enkristallstruktur, men som vi visade, experiment producerade en närbesläktad oordnad WB _5-x material, " förklarade Kvashnin.

Forskarna syntetiserade detta nya material, mätte dess egenskaper, och avslöjade ett oväntat samband mellan de två föreningarna:det nya materialet har en kristallstruktur som härrör från WB ₅ strukturera, med viss oordning och icke-stökiometri (detta betyder att proportioner av dess elementära sammansättning inte kan representeras av ett förhållande mellan små heltal). Således, det nya materialet betecknades inte som WB ₄ men som WB _5−x . Dess kristallstruktur förutspåddes ytterst av USPEX, en evolutionär algoritm utvecklad av Oganov och hans elever, och utarbetat av en mikroskopisk gittermodell.

Sedan WB _5-x är relativt lätt att syntetisera, dess utmärkta mekaniska egenskaper och stabilitet vid höga temperaturer gör det till ett mycket lovande material för många tekniker där volframkarbidbaserade kompositer dominerat under de senaste 90 åren.

"Detta pussel är löst i detalj. Vi har en detaljerad mikroskopisk beskrivning av detta material och dess struktur, vi känner till utbudet av kemiska kompositioner som det kan anta, och dess egenskaper. Andra spännande pussel väntar på teoretikers uppmärksamhet, " sa Artem R. Oganov.