Disposizione degli atomi nel cristallo di boruro di molibdeno più alto (MoB5-x) Credito:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Fis. chimica. Lett.
Nella loro ricerca di nuove mescole superdure, i ricercatori hanno effettuato una previsione dei boruri di molibdeno stabili e delle loro strutture cristalline. Hanno rivelato che i boruri più alti contengono da quattro a cinque atomi di boro per ogni atomo di molibdeno. La durezza Vickers stimata di MoB5 è da 37 a 39 GPa, che lo rende un potenziale materiale superduro. Lo studio è stato pubblicato su Il Journal of Physical Chemistry Letters .
In precedenza, un gruppo di ricercatori guidati da Artem Oganov, professore presso Skoltech e MIPT, ha pubblicato uno studio in Rivista di fisica applicata in cui hanno compilato un elenco di materiali duri e superduri che possono avere utili applicazioni industriali. questo elenco, realizzato utilizzando l'algoritmo evolutivo USPEX e il nuovo modello di durezza Vickers (pressione richiesta per lasciare una rientranza a forma di piramide nel materiale) e tenacità a frattura (capacità di un materiale di resistere alla propagazione di una frattura), è stata soprannominata dai suoi autori una "mappa del tesoro" per gli sperimentatori.
Nel nuovo giornale, scienziati di Skoltech, Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, A. M. Prokhorov Istituto di fisica generale della RAS, Università medica di ricerca nazionale russa Pirogov, e la Northwestern Polytechnical University (Xi'an, PRC) ha studiato la regione dei boruri di molibdeno della mappa. I boruri dei metalli di transizione sono potenziali sostituti delle tradizionali leghe dure e dei materiali superduri nelle applicazioni tecnologiche. A differenza del diamante ampiamente utilizzato e del nitruro di boro cubico, i boruri dei metalli di transizione non richiedono alta pressione per la loro sintesi, rendendo la loro produzione più economica.
Materiali duri e superduri sulla "mappa del tesoro". La posizione orizzontale di un simbolo riflette la sua resistenza alla frattura e la sua posizione verticale riflette la sua durezza Vickers. I simboli neri rappresentano materiali conosciuti, quelli blu rappresentano nuovi materiali; i simboli contrassegnati da un punto rosso indicano materiali che sono stabili in condizioni ambientali Credito:Alexander G. Kvashnin, Rivista di fisica applicata
La densità elettronica ad alta valenza degli atomi di metallo resiste alla compressione a causa degli elettroni che si respingono l'un l'altro, e i legami covalenti boro-boro e boro-metallo resistono alle deformazioni elastiche e plastiche.
"I modelli di diffrazione dei raggi X simulati (XRD) vengono solitamente confrontati con quelli suggeriti nell'esperimento al fine di determinare se la struttura prevista è compatibile con quella sperimentale. Tuttavia, considerando i boruri dei metalli di transizione, come boruri di molibdeno, il modello XRD mostrerà solo i segnali degli atomi più pesanti mentre le posizioni degli atomi di boro leggero saranno essenzialmente invisibili. Questo è il motivo per cui i modelli di struttura cristallina basati solo su dati sperimentali sono spesso irrealistici e instabili. Perciò, un approccio completo alla determinazione delle strutture cristalline richiede calcoli teorici all'avanguardia, "dice Alexander Kvashnin, uno degli autori e ricercatore senior presso Skoltech e MIPT.
Pentaboruro di molibdeno MoB 5 è risultato essere il boruro più alto stabile, però, i modelli XRD simulati erano vicini ma non identici ai dati sperimentali. Il pentaboride previsto aveva alcuni picchi deboli che non sono stati osservati negli esperimenti. Ciò ha suggerito una maggiore simmetria nel campione sperimentale. Gli elementi strutturali chiave del nuovo composto sono atomi di boro disposti in strati simili al grafene, strati di molibdeno, e triangoli di atomi di boro. Gli atomi di boro e molibdeno sono disposti in strati alternati con alcuni atomi di Mo sostituiti con B 3 triangoli distribuiti uniformemente in tutto il volume del cristallo.
Varie strutture cristalline di boruro di molibdeno ottenute utilizzando l'algoritmo USPEX Credito:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Fis. chimica. Lett.
"Abbiamo ipotizzato che la struttura del boruro più alto sia disordinata e che i triangoli di boro sostituiscano statisticamente gli atomi di molibdeno. Per dimostrarlo, abbiamo sviluppato un modello reticolare che ci ha permesso di definire le regole che governavano come le unità di boro dovrebbero posizionarsi per ottenere l'energia più bassa, "dice Dmitry Rybkovskiy, ricercatore presso Skoltech e A. M. Prokhorov General Physics Institute e primo autore del lavoro.
La ricerca a forza bruta delle posizioni degli atomi di molibdeno e dei triangoli di boro, campionare diverse varianti, ha rivelato i modelli relativi alla stabilità. Le fasi stabili contengono da quattro a cinque atomi di boro per un atomo di metallo, e MoB 4.7 è il più stabile di tali composti e offre la migliore corrispondenza con il pattern XRD sperimentale.
"Questo studio è un interessante esempio di interazione tra teoria ed esperimento. La teoria ha predetto un composto che dimostra proprietà peculiari e nuova struttura, ma l'esperimento ha suggerito che il materiale reale è più complesso e la sua struttura è parzialmente disordinata. La teoria che abbiamo formulato sulla base di questi risultati ci ha permesso di riprodurre tutte le osservazioni sperimentali e comprendere l'esatta composizione e struttura di questo materiale, così come le sue proprietà dettagliate. In particolare, la durezza calcolata è vicina alla gamma dei materiali superduri, " disse Artem Oganov, professore presso Skoltech e MIPT, e il capo del team di autori.
I materiali superduri hanno una vasta gamma di applicazioni industriali, come la costruzione di macchine utensili, gioielleria, o minerario. Sono utilizzati nel taglio, lucidatura, rettifica, perforazione, quindi la ricerca di nuove mescole superdure è un compito importante.
