Em busca de novos compostos superduros, os pesquisadores realizaram modelagem computacional da estrutura cristalina dos boretos de molibdênio. Descobriu-se que os compostos energeticamente mais favoráveis são aqueles em que há quatro a cinco átomos de boro por átomo de molibdênio (boretos superiores), e o mais estável deles é o pentaboride. A dureza Vickers calculada foi de 37-39 GPa, o que torna possível considerá-lo como um potencial material superduro.
O trabalho foi publicado no The Journal of Physical Chemistry Letters. Anteriormente, um grupo de físicos liderado por Artem Oganov, professor da Skoltech e do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, publicou um artigo no Journal of Applied Physics, que propunha uma lista de materiais sólidos e superduros com aplicações potenciais em muitas áreas da indústria.
Esta lista, obtida usando o algoritmo de previsão de estrutura de cristal evolucionário USPEX e novos métodos para calcular a dureza Vickers (a pressão necessária para produzir uma impressão piramidal em um material) e a tenacidade à fratura (a capacidade do material de resistir à propagação de trincas), os cientistas chamaram de "tesouro map "para experimentadores …
No trabalho atual, cientistas de Skoltech, Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, Instituto A. M. Prokhorov de Física Geral da Academia Russa de Ciências, Universidade Nacional de Pesquisa Médica Russa em homenagem a N. I. borides de molibdênio. Boretos de metais de transição podem substituir ligas duras tradicionalmente usadas e materiais superduros em várias aplicações tecnológicas. Sua síntese, em contraste com o diamante amplamente utilizado e o nitreto de boro cúbico, não requer alta pressão, o que reduz o custo de produção.
A alta densidade de elétrons na camada externa dos átomos de metal evita a contração (os elétrons começam a se repelir), e fortes ligações covalentes de boro-boro e boro-metal são responsáveis pela resistência sob deformação elástica e plástica. Em um trabalho anterior, os cientistas encontraram uma estrutura nova e anteriormente desconhecida de boreto de tungstênio: WB5, pentaboride, e descobri que é superduro.
“Para determinar se a estrutura prevista é consistente com o experimento, o difractograma de raios X calculado é comparado com o experimental. No entanto, no caso de boretos de metal de transição (neste caso, boretos de molibdênio), o padrão de difração de raios-X conterá sinais apenas de átomos de metais mais pesados; a posição dos átomos de boro não pode ser determinada.
Portanto, os modelos de estruturas cristalinas construídos com base apenas em dados experimentais são freqüentemente irrealistas e instáveis. Para uma solução abrangente da estrutura cristalina, é necessário usar métodos modernos de modelagem computacional”, diz Alexander Kvashnin, um dos autores do trabalho, pesquisador sênior da Skoltech e MIPT.
O boreto de molibdênio superior estável acabou por ser pentaboride MoB5; no entanto, os padrões de difração calculados eram próximos, mas não coincidiam com os dados experimentais. O pentaboride previsto teve um pequeno número de picos fracos que estavam ausentes no experimento. Isso indicou uma maior simetria na amostra experimental. Os principais elementos estruturais do novo composto são átomos de boro conectados em camadas semelhantes ao grafeno, camadas de átomos de molibdênio e triângulos B3 a partir de átomos de boro. Camadas de boro e camadas de molibdênio se alternam, enquanto alguns dos átomos de molibdênio são substituídos por B3- triângulos, uniformemente distribuídos sobre o volume do cristal.
“Sugerimos que a estrutura do boreto superior deveria ter uma estrutura desordenada, na qual triângulos de boro substituiriam estatisticamente os átomos de molibdênio. Para confirmar isso, desenvolvemos um modelo de rede que nos permite determinar as regras segundo as quais os triângulos de boro devem estar localizados em um cristal para ter a energia mais baixa”, diz Dmitry Rybkovsky, o primeiro autor do trabalho, um pesquisador na Skoltech e no Instituto de Física Geral Prokhorov da Academia Russa de Ciências.
Como resultado, uma busca "grosseira" do arranjo dos átomos de molibdênio e triângulos de boro tornou possível revelar os padrões de acordo com os quais os compostos mais estáveis são formados. Neste caso, existem de quatro a cinco átomos de boro por átomo de metal, e a composição mais estável é MoB4.7… Mas a conexão MoB5, previsto pelo algoritmo evolutivo USPEX, tem a maior quantidade de boro por átomo de molibdênio entre os boretos superiores estáveis de molibdênio.
“Este trabalho é um exemplo interessante da interação entre teoria e experimento. A teoria previa um composto com propriedades interessantes e uma nova estrutura, mas do experimento concluiu que a substância real é mais complexa e tem uma estrutura parcialmente desordenada. A teoria projetada com isso em mente nos permitiu chegar a um acordo perfeito com o experimento e entender a composição e estrutura exatas, bem como as propriedades desse material em detalhes”, disse Artem Oganov, professor do Skoltech and Moscow Institute of Physics and Tecnologia e chefe da equipe de autores.
As substâncias superduras têm uma ampla gama de aplicações - máquinas-ferramenta, joalheria, mineração, são utilizadas no corte, polimento, retificação, furação, portanto, a busca por novos compostos com propriedades mecânicas semelhantes é uma tarefa importante.