In hun zoektocht naar nieuwe superharde compounds, onderzoekers hebben een voorspelling gedaan van stabiele molybdeenboriden en hun kristalstructuren. Ze onthulden dat de hoogste boriden vier tot vijf booratomen per molybdeenatoom bevatten. De geschatte Vickers-hardheid van MoB5 is 37 tot 39 GPa, waardoor het een potentieel superhard materiaal is. De studie is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters .

Eerder, een groep onderzoekers onder leiding van Artem Oganov, hoogleraar bij Skoltech en MIPT, publiceerde een studie in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde waarin ze een lijst samenstelden van harde en superharde materialen die nuttige industriële toepassingen kunnen hebben. Deze lijst, gemaakt met behulp van het evolutionaire algoritme USPEX en een nieuw model van Vickers-hardheid (druk die nodig is om een ​​piramidevormige inkeping in het materiaal achter te laten) en breuktaaiheid (het vermogen van een materiaal om de voortplanting van een breuk te weerstaan), werd door de auteurs een "schatkaart" voor onderzoekers genoemd.

In de nieuwe krant wetenschappers van Skoltech, Moskou Instituut voor Natuurkunde en Technologie, A. M. Prokhorov Algemeen Natuurkundig Instituut van RAS, Pirogov Russische Nationale Medische Onderzoeksuniversiteit, en Northwestern Polytechnical University (Xi'an, PRC) bestudeerde het molybdeenborides-gebied van de kaart. Overgangsmetaalboriden zijn een potentiële vervanging voor traditionele harde legeringen en superharde materialen in technologische toepassingen. In tegenstelling tot veelgebruikte diamant en kubisch boornitride, overgangsmetaalboriden hebben geen hoge druk nodig voor hun synthese, waardoor hun productie goedkoper wordt.

De hoge valentie-elektronendichtheid van de metaalatomen is bestand tegen compressie doordat elektronen elkaar afstoten, en covalente boor-boor- en boor-metaalbindingen zijn bestand tegen elastische en plastische vervormingen.

"De patronen van gesimuleerde röntgendiffractie (XRD) worden meestal vergeleken met de patronen die in het experiment worden gesuggereerd om te bepalen of de voorspelde structuur compatibel is met de experimentele. overwegende overgangsmetaalboriden, zoals molybdeenboriden, het XRD-patroon zal alleen signalen van de zwaardere atomen laten zien, terwijl de posities van de lichte booratomen in wezen onzichtbaar zullen zijn. Dit is de reden waarom kristalstructuurmodellen die alleen op experimentele gegevens zijn gebaseerd vaak onrealistisch en onstabiel zijn. Daarom, een alomvattende benadering voor het bepalen van kristalstructuren vereist geavanceerde theoretische berekeningen, " zegt Alexander Kvashnin, een van de auteurs en een senior research fellow bij Skoltech en MIPT.

Molybdeenpentaboride MoB ₅ bleek de stabiele hoogste boride te zijn, echter, de gesimuleerde XRD-patronen waren dichtbij maar niet identiek aan de experimentele gegevens. Het voorspelde pentaboride had een paar zwakke pieken die niet werden waargenomen in de experimenten. Dit duidde op een hogere symmetrie in de experimentele steekproef. De belangrijkste structurele elementen van de nieuwe verbinding zijn booratomen die zijn gerangschikt in grafeenachtige lagen, molybdeen lagen, en driehoeken van booratomen. Boor- en molybdeenatomen zijn gerangschikt in afwisselende lagen waarbij enkele Mo-atomen zijn vervangen door B ₃ driehoeken gelijkmatig verdeeld over het volume van het kristal.

"We hebben een hypothese gemaakt dat de structuur van het hoogste boride ongeordend is en dat boordriehoeken statistisch molybdeenatomen vervangen. Om dat te bewijzen, we hebben een roostermodel ontwikkeld waarmee we de regels konden definiëren die bepalen hoe de booreenheden zichzelf moeten positioneren om de laagste energie te bereiken, " zegt Dmitry Rybkovskiy, research fellow bij Skoltech en A. M. Prokhorov General Physics Institute en de eerste auteur van het werk.

De brute kracht zoektocht naar de posities van molybdeenatomen en boordriehoeken, verschillende varianten proeven, onthulde de patronen met betrekking tot stabiliteit. Stabiele fasen bevatten vier tot vijf booratomen per één metaalatoom, en MoB _4.7 is de meest stabiele van dergelijke verbindingen en geeft de beste match met het experimentele XRD-patroon.

"Deze studie is een interessant voorbeeld van interactie tussen theorie en experiment. Theorie voorspelde een verbinding die eigenaardige eigenschappen en nieuwe structuur vertoont, maar het experiment suggereerde dat het eigenlijke materiaal complexer is en dat de structuur gedeeltelijk ongeordend is. De theorie die we op basis van deze bevindingen formuleerden, stelde ons in staat om alle experimentele waarnemingen te reproduceren en de exacte samenstelling en structuur van dit materiaal te begrijpen, evenals zijn gedetailleerde eigenschappen. Vooral, de berekende hardheid ligt dicht bij het bereik van superharde materialen, " zei Artem Oganov, hoogleraar bij Skoltech en MIPT, en de leider van het team van auteurs.

Superharde materialen hebben een breed scala aan industriële toepassingen, zoals machinebouw, sieraden, of mijnbouw. Ze worden gebruikt bij het snijden, polijsten, slijpen, boren, dus het zoeken naar nieuwe superharde compounds is een belangrijke taak.