Material que sobrevivió: primero se obtuvo la estructura "imposible" que resiste las condiciones terrestres

"Los materiales obtenidos a presiones de cientos de miles de atmósferas terrestres" suena con orgullo, pero plantea preguntas lógicas: "¿Qué sucederá si se reduce la presión? ¿Cuál es el punto de trabajar con estructuras que no pueden existir fuera de las presiones ultraaltas? Pero el punto es que una vez después de un trabajo largo y sistemático, aflojará el yunque de diamantes, y resulta que su nuevo material está intacto, ileso y no se desintegrará. Y luego, teniendo un poco más "conjurado" con reacciones químicas complejas, aprenderá cómo obtenerlo en condiciones más simples. Este es exactamente el tipo de éxito que esperaban los científicos de NISU MISiS y sus colegas de Alemania y Suecia cuando decidieron modificar el renio con nitrógeno. Se presenta un artículo con resultados experimentales y su justificación teórica en Nature Communications .


Discusión de los resultados del modelado teórico de la estructura atómica de un material.

El progreso tecnológico es despiadado: los materiales utilizados en todas partes hoy serán obsoletos mañana. ¿A dónde ir después si ya se ha hecho todo lo posible? Así es, para crear lo imposible. Esto es exactamente lo que hizo el equipo internacional de científicos de NUST "MISiS", la Universidad de Bayreuth (Alemania) y la Universidad de Linkoping (Suecia): varios científicos ya están trabajando en el tema de la creación de modificaciones súper duras de los carburos y nitruros de metales de transición a presiones cientos de miles de veces más altas que la atmosférica.

Dichos metales tienen una alta dureza y un alto punto de fusión, por lo que se utilizan para crear aleaciones resistentes al calor, herramientas de corte, sensores de alta temperatura, como recubrimientos protectores resistentes a ácidos y álcalis. La creación de modificaciones superduroras más avanzadas llevará el uso de dichos materiales a un nivel fundamentalmente nuevo. Pero, como dicen, "hay un matiz". Experimentos anteriores demostraron la posibilidad de crear modificaciones "imposibles" de nitruros de metales de transición para condiciones terrestres, pero se "desintegraron" tan pronto como la presión disminuyó. Esto sucedió con óxido de berilio , sílice , varios nitruros y hematita .

Sin embargo, un avance aguardaba a los científicos en su última experiencia: por primera vez, el material modificado a esta presión retuvo su nueva estructura y propiedades en condiciones de "habitación". El material que sobrevivió fue pernitruro de renio con dos átomos de nitrógeno adicionales: Re2 (N2) (N2) .

En términos de complejidad, este desarrollo se puede comparar con un juego de golf, donde el hoyo para la pelota está en una pendiente pronunciada, y necesita encontrar formas no solo de lanzar la pelota allí, sino también de sostenerla.

En la parte experimental del estudio, se colocó renio en un yunque de diamante y se suministró nitrógeno. Luego, el yunque se comprimió al mismo tiempo que el láser se calentó por encima de 2000 Kelvin (> 1700 ° C). Como resultado, a presiones de 40 a 90 GPa (de 400 a 900 mil atmósferas terrestres), se obtuvo una estructura especial de cristal único: pernitruro de renio y dos átomos de nitrógeno.

“El renio en sí es prácticamente incompresible, su módulo de elasticidad es de aproximadamente 400 GPa. Pero después de la modificación, aumentó a 428 GPa. A modo de comparación, en diamante es de 441 GPa. Además, debido a las inclusiones de nitrógeno, la dureza del pernitruro de renio aumentó 4 veces, hasta 37 GPa. Por lo general, los materiales modificados a presiones ultra altas no pueden retener sus propiedades después de la extracción de un yunque de diamante, sin embargo, en este caso, los compañeros experimentadores esperaban el éxito. Por supuesto, tal resultado requiere justificación, por lo que comenzamos a modelar el proceso en nuestra supercomputadora. Los resultados teóricos coincidieron con los datos experimentales e hicieron posible explicar las propiedades inusuales del nuevo material y la posibilidad de su síntesis no solo en condiciones extremas sino también terrestres ", dice el profesor Igor Abrikosov, Doctor en Filosofía, Director Científico laboratorio "Modelado y desarrollo de nuevos materiales" NUST "MISiS", jefe del Departamento de Física Teórica, Instituto de Física, Química y Biología, Universidad de Linkoping.



Inclusiones de nitrógeno adicionales: aquellas que aumentaron la dureza del material 4 veces

Pero aquí es importante comprender que un yunque de diamante es adecuado exclusivamente para experimentos: es demasiado pequeño, complicado y costoso de instalar en una escala de producción. Es por eso que el siguiente paso de los científicos fue la creación de tecnología para la síntesis de una nueva modificación del material en condiciones más "simples". Habiendo recibido una idea de los procesos que ocurren en el material a presiones ultra altas, los científicos pudieron calcular y realizar una reacción química con azida de amonio en la prensa a una presión de 33 GPa. Ahora que la existencia de tal modificación del material se ha demostrado teórica y experimentalmente, se pueden probar otros métodos para su preparación, por ejemplo, mediante la deposición de películas delgadas.