Сверхтвердые материалы нужны в первую очередь там, где предполагается что-либо резать, сверлить или шлифовать. Больше половины добываемых в мире алмазов идет не на ювелирные украшения (для этого они слишком мелки), а на режущий инструмент. Менее твердой, но и более распространенной альтернативой алмазам является карбид вольфрама, известный в России как победит. Поиск материалов, которые были бы тверже, но при этом не слишком хрупки, является важнейшей задачей для инженеров, однако простой перебор всех химических соединений с их синтезом и последующими испытаниями слишком затратен. А универсальной формулы, позволяющей вывести твердость вещества из его химического состава, пока нет — физикам с химиками остается искать разные алгоритмы, сокращающие время перебора за счет пусть не абсолютно точной, но зато сравнительно быстрой предварительной оценки.
Группа российского кристаллографа Артема Оганова ранее разработала несколько алгоритмов для предсказания свойств веществ с заданным химическим составом в тех или иных условиях. В частности, ученым удалось показать, что происходит с различными веществами при сверхвысоких давлениях (характерных для ядер планет): поваренная соль перестраивает свою кристаллическую решетку и меняет химическую формулу с NaCl на Na3Cl, NaCl3, NaCl7 или Na3Cl2, а инертный гелий начинает связываться с тем же натрием. Алгоритм предсказания кристаллической структуры USPEX принес коллективу из МФТИ, Сколтеха и Северо-Западного политехнического университета в Китае несколько десятков открытий, среди которых были и предсказания новых форм углерода с большей, чем у алмаза, плотностью.
Читайте также: «Я стараюсь избегать аморфных людей». Химик-кристаллограф Артем Оганов о науке и людях
В новой публикации на страницах Journal of Applied Physics Артем Оганов, Александр Квашнин (Сколтех) и Захед Аллахьяри (МФТИ) описали сочетание ранее представленного ими алгоритма перебора разных комбинаций химических элементов с двумя новыми методами расчета твердости по Викерсу и ударной вязкости. (Твердость по Виккерсу показывает то, насколько материал сопротивляется вдавливанию в него небольшой алмазной пирамиды, а ударная вязкость — способность поглощать энергию без разрушения.)
Итогом их работы стал график, где представлены как уже известные, так и новые вещества разной степени твердости и ударной вязкости. Ученые сразу исключили инертные газы, редкоземельные элементы и малостабильные радионуклиды тяжелее плутония. Всего поиск велся по комбинациям из 74 ячеек таблицы Менделеева.
Черными точками на «карте сокровищ», полученной учеными, показаны известные материалы — например, карбид вольфрама WC или корунд Al2O3. Красными же отмечены либо перспективные, либо вовсе ранее неизвестные комбинации. Одна из таких точек, пентаборид вольфрама, был ранее также предсказан группой Оганова, а потом синтезирован и испытан в научно-техническом центре «Газпром-нефти». Новая работа добавляет к перечню еще ряд соединений бора. Многие проигрывают по твердости или хрупкости, но все равно могут оказаться интересны в силу иных факторов — например, технологичности производства.
Алексей Тимошенко