Disposición de átomos en el cristal de boruro de molibdeno más alto (MoB5-x) Crédito:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Letón.
En su búsqueda de nuevos compuestos superduros, Los investigadores han realizado una predicción de boruros de molibdeno estables y sus estructuras cristalinas. Revelaron que los boruros más altos contienen de cuatro a cinco átomos de boro por cada átomo de molibdeno. La dureza Vickers estimada de MoB5 es de 37 a 39 GPa, lo que lo convierte en un material superduro potencial. El estudio fue publicado en El diario de las letras de la química física .
Previamente, un grupo de investigadores dirigido por Artem Oganov, profesor en Skoltech y MIPT, publicó un estudio en el Revista de física aplicada en el que compilaron una lista de materiales duros y superduros que pueden tener aplicaciones industriales útiles. Esta lista, elaborado utilizando el algoritmo evolutivo USPEX y el nuevo modelo de dureza Vickers (presión necesaria para dejar una hendidura en forma de pirámide en el material) y tenacidad a la fractura (capacidad de un material para resistir la propagación de una fractura), fue apodado un "mapa del tesoro" para los experimentadores por sus autores.
En el nuevo periódico, científicos de Skoltech, Instituto de Física y Tecnología de Moscú, A. M. Prokhorov Instituto de Física General de RAS, Universidad Médica Nacional de Investigación de Rusia Pirogov, y la Universidad Politécnica del Noroeste (Xi'an, PRC) estudiaron la región de boruros de molibdeno del mapa. Los boruros de metal de transición son un reemplazo potencial para las aleaciones duras tradicionales y los materiales superduros en aplicaciones tecnológicas. A diferencia del diamante y el nitruro de boro cúbico ampliamente utilizados, los boruros de metales de transición no requieren alta presión para su síntesis, abaratando su producción.
Materiales duros y superduros en el "mapa del tesoro". La posición horizontal de un símbolo refleja su resistencia a la fractura y su posición vertical refleja su dureza Vickers. Los símbolos negros representan materiales conocidos, los azules representan nuevos materiales; los símbolos marcados con un punto rojo indican materiales que son estables en condiciones ambientales Crédito:Alexander G. Kvashnin, Revista de física aplicada
La densidad de electrones de alta valencia de los átomos de metal resiste la compresión debido a que los electrones se repelen entre sí, y los enlaces covalentes boro-boro y boro-metal resisten deformaciones elásticas y plásticas.
"Los patrones de difracción de rayos X simulados (XRD) generalmente se comparan con los sugeridos en el experimento para determinar si la estructura predicha es compatible con la experimental. Sin embargo, considerando los boruros de metales de transición, como boruros de molibdeno, el patrón XRD solo mostrará señales de los átomos más pesados, mientras que las posiciones de los átomos de boro ligeros serán esencialmente invisibles. Esta es la razón por la que los modelos de estructura cristalina basados únicamente en datos experimentales son a menudo poco realistas e inestables. Por lo tanto, un enfoque integral para determinar las estructuras cristalinas requiere cálculos teóricos de última generación, "dice Alexander Kvashnin, uno de los autores e investigador senior de Skoltech y MIPT.
Molibdeno pentaboruro MoB 5 resultó ser el boruro más alto estable, sin embargo, los patrones XRD simulados eran cercanos pero no idénticos a los datos experimentales. El pentaboruro previsto tenía algunos picos débiles que no se observaron en los experimentos. Esto insinuó una mayor simetría en la muestra experimental. Los elementos estructurales clave del nuevo compuesto son los átomos de boro dispuestos en capas similares al grafeno, capas de molibdeno, y triángulos de átomos de boro. Los átomos de boro y molibdeno están dispuestos en capas alternas con algunos átomos de Mo reemplazados con B 3 los triángulos se distribuyen uniformemente por todo el volumen del cristal.
Varias estructuras cristalinas de boruro de molibdeno obtenidas utilizando el algoritmo USPEX Crédito:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Letón.
"Hicimos la hipótesis de que la estructura del boruro más alto está desordenada y los triángulos de boro reemplazan estadísticamente a los átomos de molibdeno. Para demostrar eso, Desarrollamos un modelo de celosía que nos permitió definir las reglas que regían cómo las unidades de boro deberían posicionarse para lograr la energía más baja, "dice Dmitry Rybkovskiy, becario de investigación en Skoltech y A. M. Prokhorov General Physics Institute y el primer autor del trabajo.
La búsqueda por fuerza bruta de las posiciones de los átomos de molibdeno y los triángulos de boro, muestreo de diferentes variantes, reveló los patrones relacionados con la estabilidad. Las fases estables contienen de cuatro a cinco átomos de boro por un átomo de metal, y MoB 4,7 es el más estable de estos compuestos y ofrece la mejor coincidencia con el patrón XRD experimental.
"Este estudio es un ejemplo interesante de interacción entre teoría y experimento. La teoría predijo un compuesto que demuestra propiedades peculiares y una nueva estructura, pero el experimento sugirió que el material real es más complejo y su estructura está parcialmente desordenada. La teoría que formulamos en base a estos hallazgos nos permitió reproducir todas las observaciones experimentales y comprender la composición y estructura exacta de este material. así como sus propiedades detalladas. En particular, la dureza calculada está cerca de la gama de materiales superduros, "dijo Artem Oganov, profesor en Skoltech y MIPT, y el líder del equipo de autores.
Los materiales superduros tienen una amplia gama de aplicaciones industriales, como la construcción de máquinas herramienta, joyas, o minería. Se utilizan en corte, pulido, molienda, perforación, por lo que la búsqueda de nuevos compuestos superduros es una tarea importante.
