ricercatori Skoltech, insieme ai loro colleghi industriali e partner accademici, hanno risolto un enigma degli anni '60 sulla struttura cristallina di un boruro di tungsteno superduro che può essere estremamente utile nelle applicazioni industriali, compresa la tecnologia di perforazione. La ricerca, supportato da Gazpromneft Science &Technology Center, è stato pubblicato sulla rivista Scienze avanzate .

I boruri di tungsteno hanno catturato per la prima volta l'immaginazione degli scienziati a metà del XX secolo a causa della loro durezza e di altre affascinanti proprietà meccaniche. Un puzzle di vecchia data è stata la struttura cristallina delle fasi W-B più alte, il cosiddetto WB ₄ , che variava selvaggiamente tra modelli sperimentali e previsioni teoriche.

"Sperimentalmente, la struttura cristallina è determinata dall'analisi della struttura a raggi X. Ma la grande differenza nelle sezioni d'urto di diffusione atomica (tungsteno pesante rispetto al boro leggero) rende le posizioni degli atomi di boro nei boruri dei metalli di transizione difficilmente distinguibili dalla diffrazione dei raggi X. Questo può essere risolto mediante diffrazione di neutroni, ma qualsiasi metodo di diffrazione può dare solo la struttura media. Se il materiale è disordinato, la conoscenza completa della sua struttura cristallina (compresa la disposizione locale degli atomi) può essere ottenuta solo utilizzando una combinazione di tecniche sperimentali (raggi X, diffrazione neutronica) e metodi computazionali della scienza dei materiali, "Alessandro Kvashnin, Ricercatore senior di Skoltech e primo autore dello studio, spiegato.

Nel 2017, Andrei Osiptsov e Artem R. Oganov di Skoltech hanno proposto un'idea per la ricerca di materiali superduri da utilizzare per la produzione di frese composite installate su punte, utilizzati per la perforazione di pozzi di petrolio e gas. L'idea è stata ben accolta da Gazpromneft STC LLC, e inizia la collaborazione tra l'azienda, Skoltech, e il Vereshchagin Institute for High Pressure Physics della RAS. I ricercatori guidati da Artem R. Oganov di Skoltech e MIPT hanno previsto l'esistenza di WB ₅ , pentaboruro di tungsteno, che doveva essere più duro del carburo di tungsteno ampiamente utilizzato e con una resistenza alla frattura comparabile. Il composto è stato sintetizzato con successo nel laboratorio del Vereshchagin Institute per completare il ciclo di ricerca. Nel nuovo giornale, Oganov e i suoi colleghi mostrano che il tanto dibattuto WB ₄ e il nuovo previsto WB ₅ sono in realtà lo stesso materiale.

"Abbiamo studiato il sistema W-B per prevedere la struttura stabile dei boruri di tungsteno più alti, come già sapevamo di questo enigma di vecchia data. Prevedere un nuovo WB ₅ la struttura è stata una sorpresa, soprattutto perché ha proprietà eccitanti come elevata durezza Vickers e tenacità alla frattura e rimane stabile a temperature molto elevate. Quindi abbiamo pensato che questo materiale avrebbe dovuto trovare applicazione nel settore. I nostri colleghi dell'Istituto Vereshchagin l'hanno sintetizzato con successo. I modelli di diffrazione corrispondevano molto bene alla previsione teorica, tranne alcuni deboli picchi che erano presenti in teoria, ma non nell'esperimento. Il nostro previsto WB ₅ ha una perfetta struttura monocristallina, ma come abbiamo mostrato, gli esperimenti hanno prodotto un WB . disordinato strettamente correlato _5-x Materiale, " ha spiegato Kvashnin.

I ricercatori hanno sintetizzato questo nuovo materiale, misurato le sue proprietà, e ha rivelato una connessione inaspettata tra i due composti:il nuovo materiale ha una struttura cristallina derivata dal WB ₅ struttura, con una certa quantità di disordine e non stechiometria (questo significa che le proporzioni della sua composizione elementare non possono essere rappresentate da un rapporto di piccoli numeri interi). Così, il nuovo materiale è stato indicato non come WB ₄ ma come WB _5−x . La sua struttura cristallina è stata ampiamente prevista dall'USPEX, un algoritmo evolutivo sviluppato da Oganov e dai suoi studenti, ed elaborato da un modello reticolare microscopico.

Da WB _5-x è relativamente facile da sintetizzare, le sue eccellenti proprietà meccaniche e stabilità alle alte temperature lo rendono un materiale molto promettente per molte tecnologie in cui i compositi a base di carburo di tungsteno hanno dominato negli ultimi 90 anni.

"Questo enigma è risolto nei minimi dettagli. Abbiamo una dettagliata descrizione microscopica di questo materiale e della sua struttura, conosciamo la gamma di composizioni chimiche che può adottare, e le sue proprietà. Altri entusiasmanti enigmi attendono l'attenzione dei teorici, " ha detto Artem R. Oganov.