Раскрыта тайна сверхтвердого материала

Более 60 лет структура одного из самых твердых материалов на земле оставалась загадкой для мирового сообщества.

Ученые Сколтеха раскрыли тайну сверхтвердого материалаskoltech.ru-Пресс-служба Сколтеха

Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) выяснили, что в структуре борида вольфрама обеспечивает этому материалу колоссальную твердость. Соответствующее исследование опубликовано в научном журнале Advanced Science.

Впервые о строении материала ученые задумались еще в 1960-х годах, когда узнали о его свойствах, которые могли бы быть полезны для реализации некоторых технических проектов, в том числе включающих в себя бурение нефтяных скважин. Ввиду недостатка технологических возможностей для того, чтобы «разложить по полочкам» строение вольфрама, только сейчас исследователям удалось понять его структуру.

По словам специалиста, участвовавшего в исследованиях, состав кристаллической структуры, которая присуща материалу, определяется с помощью рентгеноструктурного анализа. Однако ввиду огромной разницы в его атомных эффективных сечениях рассеяния, позиции атома бора не могут быть различимы в ходе подобного анализа. Эту проблему можно было бы решить с помощью такого метода, как рассеивание нейтронов, но полной картины структуры кристаллической решетки материала таким образом все равно не получить.

Поэтому загадка была разгадана случайно. Дело в том, что еще в 2017 году сотрудники Сколтеха заключили с Научно-Техническим Центром «Газпром нефти» договор на создание сверхпрочных материалов для бурения нефтяных скважин взамен имевшихся. Тогда группа ученых плотно взялась за этот вопрос и начала разрабатывать супержесткий материал. Соединение, получившее название пентаборид вольфрама WB5 создали в Институте физики высоких давлений имени Верещагина.

Позже ученые решили сравнить структуру синтезированного материала со структурой сверхтвердого борида вольфрама и обнаружили, что они совпадают. Как рассказали сами физики, открытие стало для них сюрпризом, в особенности из-за того, что у них не было цели специально создать аналогичный материал. Он стабилен при высоких температурах и обладает невероятной стойкостью к возникновению трещин.

Так что теперь стало ясно, как именно выглядит структура борида вольфрама, из-за которой он отличается такой превосходной твердостью, ведь ученым удалось собрать такое же соединение с использованием лабораторных материалов. Сейчас соединение понемногу заменяет ранее использовавшийся для бурения и других технологических процессов карбид вольфрама, который более ломок и восприимчив к внешнему воздействию в сравнении с новым материалом.

Как сказал специалист, проводивший разработки, загадка WB4 разгадана полностью, известен весь диапазон его химического состава и структура расположения элементов, так что впереди у теоретиков другие интересные задачи.

Кроме сколковцев в проводимых экспериментах также участвовали специалисты Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН и Института физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН.

Виктория Пономарева

Подпишитесь и получайте новости первыми

Новости партнеров

Источник: https://newinform.com

В данной статье мы постарались собрать все основные и актуальные новости из СМИ о данном событии.

В Сколтехе разгадали 60-летнюю загадку сверхтвердого материала

Исследователи Сколтеха совместно с коллегами разгадали загадку 1960-х годов о кристаллической структуре потенциально сверхтвердого борида вольфрама, который может оказаться крайне полезным в самых разных областях применения, включая технологии бурения.

Исследователи разгадали загадку 1960-х годов о кристаллической структуре потенциально сверхтвердого борида вольфрама / Pavel Odinev / ©Пресс-служба Сколтеха

Статья о научной работе, поддержанной Научно-Техническим Центром «Газпром нефти», опубликована в журнале Advanced Science. Бориды вольфрама впервые привлекли внимание ученых в середине XX века благодаря своей твердости и другим интересным механическим свойствам. Одна из давних загадок, связанных с этими соединениями, — кристаллическая структура так называемого соединения WB4, высшего борида вольфрама, которая сильно различается в экспериментальных моделях и теоретических предсказаниях разных групп.

«Экспериментально кристаллическая структура определяется рентгеноструктурным анализом. Но большая разница в атомных эффективных сечениях рассеяния (тяжелый вольфрам по сравнению с легким бором) делает позиции атомов бора в переходных боридах металлов едва различимыми для такого анализа. Эту проблему можно решить дифракцией нейтронов, и это было сделано недавно, но любой дифракционный метод может дать лишь усредненную структуру.

Если материал неупорядоченный, полного понимания его кристаллической структуры, включая локальное расположение атомов, можно добиться только с помощью сочетания экспериментальных и вычислительных методов», — сказал старший научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи Александр Квашнин.

В 2017 году сотрудники Сколтеха Андрей Осипцов и Артем Оганов предложили идею поиска новых сверхтвердых материалов для композитных резцов долота, используемого для бурения нефтегазовых скважин. Эта идея понравилась Научно-Техническому Центру «Газпром нефти» — так началось ее сотрудничество со Сколтехом. Группа под руководством Оганова предсказала существование пентаборида вольфрама WB5, который по твердости превосходил широко используемый карбид вольфрама, а по устойчивости к образованию трещин был с ним сопоставим. Соединение в итоге успешно синтезировали в Институте физики высоких давлений имени Верещагина.

В новом исследовании Оганов и его коллеги показывают, что тот самый загадочный WB4 и новый пентаборид вольфрама WB5 — на самом деле один и тот же материал. «Мы изучали систему вольфрам-бор, чтобы предсказать существование стабильной структуры высших боридов вольфрама, так как знали об этой давней загадке. Предсказание структуры WB5 стало для нас сюрпризом, особенно из-за его удивительных свойств вроде твердости по Виккерсу и трещинностойкости, а также стабильности при очень высоких температурах.

Мы решили, что этот материал должен найти применение в промышленности, и наши коллеги из института имени Верещагина синтезировали его. Дифракционная картина очень хорошо соответствовала теоретическим предсказаниям за исключением нескольких слабых пиков, которые были в теории, но не в эксперименте. У нашего предсказанного WB5 идеальная монокристаллическая структура, но, как нам удалось показать, в экспериментах мы получили очень близкий к нему неупорядоченный WB5-x», — пояснил Квашнин.

Ученые синтезировали новый материал, изучили его свойства и обнаружили неожиданную связь двух соединений: кристаллическая структура этого высшего борида вольфрама похожа на структуру WB5 с некоторой неупорядоченностью и нестехиометрией (последнее означает, что пропорции химических элементов в его составе нельзя представить малыми целыми числами).

Поэтому новое соединение обозначили не как WB4, а как WB5−x. Его кристаллическую структуру предсказали с помощью эволюционного алгоритма USPEX, разработанного Огановым и его студентами, и развили с помощью микроскопической решеточной модели. Поскольку WB5-x достаточно легко синтезировать, его превосходные механические свойства и стабильность при высоких температурах делают его перспективной альтернативой композитам на основе карбида вольфрама, которые чаще всего использовались во многих технологиях последние 90 лет.

«Загадка WB4 разгадана полностью: у нас есть детальное описание этого материала и его структуры, мы знаем весь диапазон химических составов, который он может иметь, и его свойства. Впереди у теоретиков другие интересные загадки», — заключил Артем Оганов. В исследовании также принимали участие специалисты Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН и Института физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Источник: https://naked-science.ru

Российские ученые описали структуру супертвердого борида вольфрама

Российские ученые синтезировали и исследовали кристаллическую структуру и свойства борида вольфрама WB5-x. Механические свойства материала оказались ненамного хуже расчетных значений, что делает эти материалы перспективными для использования в областях техники, где необходимы твердые и термостойкие материалы. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.

Для некоторых задач — например, для продолжительного бурения, — твердости алмаза оказывается недостаточно. Более прочным и термостойким материалом может оказаться борид вольфрама. В середине прошлого века ученые сообщили о синтезе тетраборида вольфрама WB4, который содержал в себе множество фаз с различными стехиометрическими соотношениями атомов и кристаллическими структурами. Многие последующие работы по исследованию таких соединений давали очень разные теоретические и практические результаты. Недавние теоретические расчеты с использованием алгоритма USPEX, который успешно проявил себя в описании свойств и кристаллических структур соединений, сложных для синтеза, предсказали возможность существования стабильного пентаборида WB5.

Синтезировать кристалл борида вольфрама одной фазы с заданной стехиометрией (соотношением атомов в кристаллической решетке) очень сложно из-за проявления этим материалом полисоматизма — склонности к образованию структур с несколькими фазами. Более того, определение точного положения атомов бора в кристаллической решетке методом рентгеноструктурного анализа затруднено в силу большой разницы в атомных массах бора и вольфрама. Поэтому до сих пор изучение кристаллической структуры высших боридов вольфрама оставалось сложной задачей.

Александр Квашнин (Alexander G. Kvashnin) с коллегами из Сколковского института науки и технологий синтезировали борид вольфрама и исследовали его кристаллическую структуру и механические свойства. Образцы высшего борида вольфрама получали спеканием вольфрама и бора в соотношении один к семи при температурах до 1500 градусов Цельсия и давлении до семи гигапаскалей. Для получения информации о кристаллической структуре материала, его растерли в порошок и анализировали методом рентгеновской дифракции и сравнили эти данные с теоретическими расчетами структуры пентаборида.

Образцы представляли собой смесь двух боридов вольфрама: WB5-x и WB2, причем процентное содержание диборида возрастало с ростом давления и температуры синтеза. Авторы обнаружили неожиданную связь между ранее экспериментально полученным WB4 и теоретически предсказанным WB5: новое соединение обладало типом структуры пентаборида, однако содержало области нестехиометрии и нарушения порядка расположения атомов, что приводило к образованию фаз с общей формулой WB5-x. Теоретические расчеты позволили исследователям определить наиболее выгодные для системы кристаллические структуры, соответственно экспериментальным данным, а также рассчитать свойства полученного материала.

Механические свойства полученного материала оказались чуть хуже предсказанных теоретически значений (твердость 39 гигапаскалей) из-за избытка бора, снижающего значения прочности. Композитные материалы на основе WB5-x проявили особую термостойкость: образец не разрушался при температурах до тысячи градусов Цельсия.

По словам авторов, выдающиеся механические свойства, термостойкость и недорогой способ синтеза WB5-x в относительно мягких условиях дают материалам на основе этого борида преимущество перед традиционными сплавами, которые они могут заменить во многих сферах.

О возможном применении борида вольфрама в бурении читайте в нашем материале «Победитель победита».

Алина Кротова

Источник: https://nplus1.ru

В России разгадали 60-летнюю загадку сверхтвердого материала

Российские исследователи расшифровали кристаллическую структуру сверхтвердого борида вольфрама, который может найти применение, например, в буровых технологиях. Сделать это не удавалось в течение 60 лет. Работа ученых опубликована в журнале Advanced Science.

Бориды вольфрама впервые привлекли внимание ученых в середине XX века благодаря своей твердости и другим интересным механическим свойствам. С этими материалами связана одна загадка. Исследователи ранее изучали кристаллическую структуру высшего борида вольфрама WB4 и оказалось, что ее теоретические модели и экспериментальные описания существенно отличаются друг от друга.

«Экспериментально кристаллическую структуру определяют с помощью рентгеноструктурного анализа. Однако высокая разница в эффективных сечениях рассеяния атомов внутри нее не позволяет отличить их позиции друг от друга. Эту проблему можно решить, использовав метод дифракции нейтронов, но любой подобный метод позволяет получить лишь усредненную структуру. Если материал неупорядоченный, то полностью понять его кристаллическую структуру, включая локальное расположение атомов, можно, только сочетая экспериментальные и вычислительные подходы», — отмечает первый автор статьи, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий Александр Квашнин.

В 2017 году исследователи из Сколтеха Андрей Осипцов и Артем Оганов предложили искать новые сверхтвердые материалы для композитных резцов долота, используемого для бурения нефтегазовых скважин. Для этого ученые начали сотрудничество с «Газпром нефтью». С тех пор исследователи предсказали существование пентаборида вольфрама WB5, который по твердости превосходит карбид вольфрама. В конце концов соединение удалось синтезировать, и начались его испытания на практике.

Теперь ученые из Сколтеха показали, что загадочный тетраборид WB4 и новый пентаборид вольфрама WB5 — на самом деле один и тот же материал. Все началось с того, что авторы изучали систему вольфрам-бор, чтобы предсказать существование стабильной структуры высших боридов вольфрама, так как знали о ее загадке. Когда затем исследователям удалось синтезировать пентаборид, они выяснили, что его дифракционная картина очень хорошо соответствовала теоретическим предсказаниям за исключением нескольких слабых пиков, которые были в теории, но не в эксперименте.

Исследователи синтезировали новый материал, изучили его свойства и обнаружили неожиданную связь двух соединений: кристаллическая структура высшего борида вольфрама оказалась напоминающей структуру WB5 с небольшой неупорядоченностью и нестехиометрией. Поэтому новое соединение обозначили не как WB4, а как WB5-x. Его кристаллическую структуру удалось предсказать, используя эволюционный алгоритм USPEX, который ранее создали исследователи Сколтеха.

«Нам удалось полностью разгадать тайну тетраборида вольфрама. Теперь мы имеем детальное описание этого материала и его структуры, знаем весь диапазон химических составов, который он может иметь, и его свойства. Впереди у теоретиков другие интересные загадки», — подвел итог Оганов.

Источник: https://indicator.ru

Ученые 60 лет спорят о структуре тетраборида вольфрама. Оказалось, что его не существует — Наука — ТАСС

ТАСС, 3 июля. Российские ученые выяснили, как устроен сверхтвердый тетраборид вольфрама (WB4) – соединение четырех атомов бора и одного атома вольфрама, о структуре которого ученые спорят уже больше полувека. Оказалось, что это не уникальное соединение, а разновидность недавно синтезированного пентаборида вольфрама, пишет пресс-служба Сколковского института науки и технологий. Исследование опубликовал научный журнал Advanced Science.

"Загадка WB4 разгадана полностью: у нас есть детальное описание этого материала и его структуры. Мы знаем весь диапазон химических составов, который он может иметь, и его свойства. Впереди у теоретиков другие интересные проблемы", – прокомментировал один из авторов работы, профессор Сколковского института науки и технологий Артем Оганов.

Химики и материаловеды всего мира давно мечтают о создании методов и инструментов, с помощью которых можно создавать материалы с определенными свойствами, опираясь лишь на теоретические выкладки и знания о свойствах отдельных химических элементов. Если такие технологии появятся, они совершат настоящую революцию в промышленности и науке.

Первый шаг к решению этой задачи, как отмечает Оганов, был сделан еще в 2006 году. Тогда его команда разработала алгоритм USPEX, который позволяет быстро и точно вычислять свойства кристаллов разных веществ при самых разных температурах и давлении с помощью химической формулы и названия элементов. Позже российские химики усовершенствовали этот метод, "научив" его работать без заданного состава, а также ускорив его с помощью нейросетей.

Недавно с помощью USPEX Оганов и его коллеги показали, что материалов тверже алмаза не может существовать в принципе, а также открыли несколько соединений бора, которые превосходят по некоторым физическим и механическим параметрам даже победит – сплав вольфрама, углерода и кобальта,.

Сверхтвердая загадка

Решив эту проблему, ученые заинтересовались одной из самых старых загадок, связанных со сверхтвердыми материалами. Они попытались выяснить структуру тетраборида вольфрама. Его открыли еще в середине XX века, однако строение ученые не смогли определить до сих пор. Дело в том, что определенные различия в свойствах бора и вольфрама не дают напрямую "сфотографировать" положение атомов в толще этого вещества, а также понять, насколько равномерно они распределены внутри.

Оганов и его коллеги попытались решить эту проблему, просчитав структуру разных вариаций WB4 с помощью алгоритмов и сопоставив эти результаты с экспериментальными данными. Оказалось, что WB4 на самом деле не существует.

На самом деле это вещество представляет собой одну из вариаций пентаборида вольфрама – материала, который Оганов и его коллеги открыли несколько лет назад и синтезировали в Институте физики высоких давлений РАН. Оказалось, что в этом веществе содержится не четыре атома бора на каждый атом вольфрама, а 4,18 или 4,86 атома. Поэтому ученые предложили переименовать его из WB4 в WB5-x.

Поскольку WB5-x достаточно легко синтезировать, его механические свойства и стабильность при высоких температурах делают его перспективной альтернативой композитам на основе карбида вольфрама, которые чаще всего использовались во многих технологиях последние 90 лет, заключают Оганов и его коллеги.

Источник: https://nauka.tass.ru

Раскрыта 60-летняя тайна сверхтвёрдого материала

Исследователи Сколтеха совместно с коллегами разгадали загадку 1960-х годов о кристаллической структуре потенциально сверхтвёрдого борида вольфрама, который может оказаться полезным в самых разных областях применения.

Бориды вольфрама впервые привлекли внимание учёных в середине XX века благодаря своей твёрдости и другим интересным механическим свойствам. Одна из давних загадок, связанных с этими соединениями — кристаллическая структура соединения WB4, высшего борида вольфрама, которая сильно различается в экспериментальных моделях и теоретических предсказаниях разных групп. Экспериментально кристаллическая структура определяется рентгеноструктурным анализом. Но большая разница в атомных эффективных сечениях рассеяния (тяжелый вольфрам по сравнению с легким бором) делает позиции атомов бора в переходных боридах металлов едва различимыми для такого анализа.

Эту проблему можно решить дифракцией нейтронов, и это было сделано недавно, но любой дифракционный метод может дать лишь усредненную структуру. Если материал неупорядоченный, полного понимания его кристаллической структуры, включая локальное расположение атомов, можно добиться только с помощью сочетания экспериментальных и вычислительных методов, утверждает старший научный сотрудник Сколтеха Александр Квашнин.

В 2017 году сотрудники Сколтеха Андрей Осипцов и Артём Оганов предложили идею поиска новых сверхтвёрдых материалов для композитных резцов долота, используемого для бурения нефтегазовых скважин. Группа под руководством Оганова предсказала существование пентаборида вольфрама WB5, который по твёрдости превосходил широко используемый карбид вольфрама, а по устойчивости к образованию трещин был с ним сопоставим. Соединение в итоге успешно синтезировали в Институте физики высоких давлений имени Верещагина.

В новом исследовании учёные показывают, что загадочный WB4 и новый пентаборид вольфрама WB5 на самом деле являются одним и тем же материалом. Они синтезировали новый материал, изучили его свойства и обнаружили неожиданную связь двух соединений: кристаллическая структура высшего борида вольфрама похожа на WB5 с некоторой неупорядоченностью и нестехиометрией.

Поэтому новое соединение обозначили не как WB4, а как WB5-x. Его кристаллическую структуру предсказали с помощью эволюционного алгоритма USPEX, разработанного Огановым и его студентами, и развили с помощью микроскопической решёточной модели. Поскольку WB5-x достаточно легко синтезировать, его механические свойства и стабильность при высоких температурах делают его перспективной альтернативой композитам на основе карбида вольфрама, которые чаще всего использовались во многих технологиях последние 90 лет.

Источник: https://www.popmech.ru

Раскрыта тайна сверхтвердого материала

Во время нового исследования ученые обнаружили, что в структуре борида вольфрама обеспечивает этому материалу колоссальную твердость.

Наличие технологических возможностей позволило ученым понять уникальную структуру материала. По словам специалистов, состав кристаллической структуры материала может быть определен с помощью рентгеноструктурного анализа. Но такой метод не отличается эффективностью, позиции атома бора не могут быть различимы в ходе подобного анализа.

Во время новой работы ученые решили сравнить структуру синтезированного материала со структурой сверхтвердого борида вольфрама. Специалисты выяснили, что они совпадают. Аналогичный материал, который ученые создали, обладает невероятной стойкостью к возникновению трещин.

Источник: https://rusargument.ru

Смотрите видео: Секрет на миллион: Марат Башаров

Оцените статью
Добавить комментарий