Skoltech-onderzoekers, samen met hun industriële collega's en academische partners, een puzzel uit de jaren 60 hebben gekraakt over de kristalstructuur van een superhard wolfraamboride dat uiterst nuttig kan zijn in industriële toepassingen, inclusief boortechniek. Het onderzoek, ondersteund door Gazpromneft Science &Technology Center, werd gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

Wolfraamboriden spraken halverwege de 20e eeuw voor het eerst tot de verbeelding van wetenschappers vanwege hun hardheid en andere fascinerende mechanische eigenschappen. Een al lang bestaande puzzel was de kristalstructuur van de hoogste W-B-fasen, de zogenaamde WB ₄ , die enorm varieerde tussen experimentele modellen en theoretische voorspellingen.

"Experimenteel, de kristalstructuur wordt bepaald door röntgenstructuuranalyse. Maar het grote verschil in atomaire verstrooiingsdwarsdoorsneden (zwaar wolfraam vergeleken met licht boor) maakt posities van booratomen in overgangsmetaalboriden nauwelijks waarneembaar door röntgendiffractie. Dit kan worden opgelost door neutronendiffractie, maar elke diffractiemethode kan alleen de gemiddelde structuur geven. Als het materiaal wanordelijk is, de volledige kennis van de kristalstructuur (inclusief lokale rangschikking van de atomen) kan alleen worden verkregen door een combinatie van experimentele technieken (röntgenstraling, neutronendiffractie) en computationele methoden van materiaalkunde, "Alexander Kvashnin, Skoltech senior onderzoeker en eerste auteur van de studie, uitgelegd.

in 2017, Andrei Osiptsov en Artem R. Oganov van Skoltech stelden een idee voor om te zoeken naar superharde materialen die kunnen worden gebruikt voor het produceren van composietfrezen die op bits zijn geïnstalleerd, die worden gebruikt voor het boren van olie- en gasbronnen. Het idee werd goed ontvangen door Gazpromneft STC LLC, en de samenwerking begon tussen het bedrijf, Skoltech, en het Vereshchagin Institute for High Pressure Physics van de RAS. Onderzoekers onder leiding van Artem R. Oganov van Skoltech en MIPT voorspelden het bestaan ​​van WB ₅ , wolfraam pentaboride, die naar verwachting harder zou zijn dan het veelgebruikte wolfraamcarbide en een vergelijkbare breuktaaiheid zou hebben. De verbinding werd met succes gesynthetiseerd in het laboratorium van het Vereshchagin Institute om de onderzoekscyclus te voltooien. In de nieuwe krant Oganov en zijn collega's laten zien dat de langbesproken WB ₄ en de nieuw voorspelde WB ₅ zijn eigenlijk hetzelfde materiaal.

"We hebben het W-B-systeem bestudeerd om de stabiele structuur van hogere wolfraamboriden te voorspellen, zoals we al wisten over deze al lang bestaande puzzel. Een nieuwe WB voorspellen ₅ structuur was een verrassing, vooral omdat het opwindende eigenschappen heeft zoals een hoge Vickers-hardheid en breuktaaiheid en stabiel blijft bij zeer hoge temperaturen. Toen dachten we dat dit materiaal toepassing zou moeten vinden in de industrie. Onze collega's van het Vereshchagin Institute hebben het met succes gesynthetiseerd. De diffractiepatronen kwamen goed overeen met de theoretische voorspelling, behalve enkele zwakke pieken die in theorie aanwezig waren, maar niet in het experiment. Onze voorspelde WB ₅ heeft een perfecte enige kristalstructuur, maar zoals we lieten zien, experimenten produceerden een nauw verwante ongeordende WB _5-x materiaal, ' legde Kvashnin uit.

De onderzoekers synthetiseerden dit nieuwe materiaal, zijn eigenschappen gemeten, en onthulde een onverwacht verband tussen de twee verbindingen:het nieuwe materiaal heeft een kristalstructuur afgeleid van de WB ₅ structuur, met een zekere mate van wanorde en niet-stoichiometrie (dit betekent dat proporties van de elementaire samenstelling niet kunnen worden weergegeven door een verhouding van kleine gehele getallen). Dus, het nieuwe materiaal werd niet aangeduid als WB ₄ maar als WB _5−x . De kristalstructuur werd uiteindelijk voorspeld door USPEX, een evolutionair algoritme ontwikkeld door Oganov en zijn studenten, en uitgewerkt door een microscopisch roostermodel.

sinds WB _5-x is relatief eenvoudig te synthetiseren, zijn uitstekende mechanische eigenschappen en stabiliteit bij hoge temperaturen maken het een veelbelovend materiaal voor veel technologieën waar composieten op basis van wolfraamcarbide de afgelopen 90 jaar domineerden.

"Deze puzzel is tot in detail opgelost. We hebben een gedetailleerde microscopische beschrijving van dit materiaal en zijn structuur, we kennen de reeks chemische samenstellingen die het kan aannemen, en zijn eigenschappen. Andere spannende puzzels wachten op de aandacht van theoretici, " zei Artem R. Oganov.