Investigadores de Skoltech, junto con sus colegas industriales y socios académicos, han resuelto un rompecabezas de la década de 1960 sobre la estructura cristalina de un boruro de tungsteno superduro que puede ser extremadamente útil en aplicaciones industriales, incluida la tecnología de perforación. La investigación, apoyado por Gazpromneft Science &Technology Center, fue publicado en la revista Ciencia avanzada .

Los boruros de tungsteno capturaron por primera vez la imaginación de los científicos a mediados del siglo XX debido a su dureza y otras fascinantes propiedades mecánicas. Un rompecabezas de larga data ha sido la estructura cristalina de las fases W-B más altas, el llamado WB ₄ , que variaba enormemente entre modelos experimentales y predicciones teóricas.

"Experimentalmente, la estructura cristalina se determina mediante análisis de estructura de rayos X. Pero la gran diferencia en las secciones transversales de dispersión atómica (tungsteno pesado en comparación con boro ligero) hace que las posiciones de los átomos de boro en los boruros de metales de transición sean apenas discernibles por difracción de rayos X. Esto se puede resolver mediante difracción de neutrones, pero cualquier método de difracción solo puede dar la estructura promedio. Si el material está desordenado, el conocimiento completo de su estructura cristalina (incluida la disposición local de los átomos) solo se puede obtener utilizando una combinación de técnicas experimentales (rayos X, difracción de neutrones) y métodos computacionales de ciencia de materiales, "Alexander Kvashnin, Científico investigador senior de Skoltech y primer autor del estudio, explicado.

En 2017, Andrei Osiptsov y Artem R. Oganov en Skoltech propusieron una idea para buscar materiales superduros que se utilizarían para producir cortadores compuestos instalados en brocas, que se utilizan para la perforación de pozos de petróleo y gas. La idea fue bien recibida por Gazpromneft STC LLC, y se inició la colaboración entre la empresa, Skoltech, y el Instituto Vereshchagin de Física de Alta Presión de la RAS. Los investigadores dirigidos por Artem R. Oganov de Skoltech y MIPT predijeron la existencia de WB ₅ , pentaboruro de tungsteno, que se esperaba que fuera más duro que el carburo de tungsteno ampliamente utilizado y que tuviera una tenacidad a la fractura comparable. El compuesto se sintetizó con éxito en el laboratorio del Instituto Vereshchagin para completar el ciclo de investigación. En el nuevo periódico Oganov y sus colegas demuestran que el largamente debatido WB ₄ y el WB recién predicho ₅ son en realidad el mismo material.

"Estudiamos el sistema W-B para predecir la estructura estable de boruros de tungsteno más altos, como ya sabíamos sobre este antiguo rompecabezas. Predecir un nuevo WB ₅ la estructura fue una sorpresa, especialmente porque tiene propiedades interesantes como alta dureza Vickers y tenacidad a la fractura y permanece estable a temperaturas muy altas. Entonces pensamos que este material debería encontrar aplicación en la industria. Nuestros colegas del Instituto Vereshchagin lo sintetizaron con éxito. Los patrones de difracción coincidieron muy bien con la predicción teórica, excepto algunos picos débiles que estaban presentes en teoría, pero no en el experimento. Nuestro WB previsto ₅ tiene una estructura monocristalina perfecta, pero como mostramos, experimentos produjeron un WB desordenado estrechamente relacionado _5-x material, "Explicó Kvashnin.

Los investigadores sintetizaron este nuevo material, midió sus propiedades, y reveló una conexión inesperada entre los dos compuestos:el nuevo material tiene una estructura cristalina derivada del WB ₅ estructura, con cierta cantidad de desorden y no estequiometría (esto significa que las proporciones de su composición elemental no pueden ser representadas por una proporción de números enteros pequeños). Por lo tanto, el nuevo material no se denotó como WB ₄ pero como WB _{5 − x} . Su estructura cristalina fue predicha por USPEX, un algoritmo evolutivo desarrollado por Oganov y sus estudiantes, y elaborado por un modelo de celosía microscópica.

Desde WB _5-x es relativamente fácil de sintetizar, sus excelentes propiedades mecánicas y estabilidad a altas temperaturas lo convierten en un material muy prometedor para muchas tecnologías donde los compuestos a base de carburo de tungsteno dominaron en los últimos 90 años.

"Este rompecabezas se resuelve con todo detalle. Tenemos una descripción microscópica detallada de este material y su estructura, conocemos la gama de composiciones químicas que puede adoptar, y sus propiedades. Otros acertijos emocionantes esperan la atención de los teóricos, ", dijo Artem R. Oganov.