Новый алгоритм компьютерного моделирования, созданный российскими учёными, открыл путь к предсказанию уникальных сверхтвёрдых соединений, конкурирующих по прочности с алмазом. Значимость результатов подчеркивается их публикацией в ведущем научном журнале.
От теории к "карте сокровищ" кристаллов
Основой для этого прорыва стал эволюционный алгоритм USPEX, ранее разработанный коллективом физиков во главе с профессором Сколтеха и МФТИ Артёмом Огановым. Этот мощный инструмент создал базу твердых и сверхтвердых материалов – настоящую "карту сокровищ" для исследователей, открывающую возможности в различных промышленных сферах.
В поисках идеального материала
Особую ценность на этой карте представляют соединения, сочетающие исключительную твердость по Виккерсу (которая определяется давлением для создания отпечатка пирамиды) с высокой трещиностойкостью – сопротивлением материала к распространению трещин.
Бориды: доступная сверхтвердость
Ключевыми кандидатами оказались бориды переходных металлов. Их преимущество – возможность синтеза без сверхвысоких давлений, необходимых для производства алмаза или кубического нитрида бора. Это открывает перспективы для экономически выгодного массового производства.
Успех команды Оганова: молибден в фокусе
Следуя успеху с открытием сверхтвердого пентаборида вольфрама WB5, междисциплинарная группа учёных из Сколтеха, МФТИ, ИОФ РАН им. Прохорова и Российского национального исследовательского медицинского университета им. Пирогова совместно с коллегами из Северо-Западного политехнического университета (Сиань, Китай) сосредоточилась на исследовании боридов молибдена.
MoB5: перспективный претендент на замену
Наиболее стабильным и энергетически выгодным соединением среди высших боридов молибдена (MoB4 — MoB5) стал пентаборид молибдена MoB5. Его расчетная твердость 37–39 ГПа ставит его в ряд потенциальных сверхтвердых материалов, способных заменить традиционные составы во множестве технологий.
Инновационная структура и баланс теории с практикой
Революционная структура материала объединяет графеноподобные слои бора, слои молибдена и треугольники бора (B3). Они образуют чередующиеся слои, где часть атомов металла замещена равномерно распределенными борными треугольниками. Научный сотрудник Сколтеха и ИОФ РАН Дмитрий Рыбковский прокомментировал: "Мы предположили частично разупорядоченную структуру со статистическим замещением атомов молибдена B3-треугольниками. Для проверки создана специальная решёточная модель, определившая оптимальное расположение этих фрагментов для минимальной энергии кристалла."
Обширные вычисления структур выявили MoB4.7 как самую стабильную на практике формулу, отлично согласующуюся с теоретическим предсказанием MoB5 от USPEX. Руководитель проекта Артём Оганов подчеркнул ценность содружества науки: "Результат иллюстрирует плодотворное взаимодействие теории и эксперимента: предсказание свойств встречается с экспериментальной сложностью реального вещества."
Широкие горизонты применения
Открытие подобных сверхтвердых веществ сулит значительный прогресс в станкостроении, добывающей промышленности, ювелирном деле и технологических процессах резки, шлифовки, полировки и бурения.
