Überlebendes Material: Zuerst wurde die „unmögliche“ Struktur erhalten, die den terrestrischen Bedingungen standhält

„Materialien, die bei Drücken von Hunderttausenden von Erdatmosphären gewonnen werden“ klingt stolz, wirft jedoch logische Fragen auf: „Was passiert, wenn der Druck verringert wird? Was bringt es, mit Strukturen zu arbeiten, die außerhalb des ultrahohen Drucks nicht existieren können? “ Aber der Punkt ist, dass Sie nach einer langen und systematischen Arbeit einmal den Diamantamboss lösen werden und es sich herausstellt, dass Ihr neues Material intakt und unversehrt ist und sich nicht auflösen wird. Und wenn Sie dann mit komplexen chemischen Reaktionen etwas „beschworen“ sind, lernen Sie, wie Sie es unter einfacheren Bedingungen erhalten. Es war ein solcher Erfolg, den die Wissenschaftler von NUST „MISiS“ und ihre Kollegen aus Deutschland und Schweden erwarteten, als sie beschlossen, Rhenium mit Hilfe von Stickstoff zu modifizieren. Ein Artikel mit experimentellen Ergebnissen und ihrer theoretischen Begründung wird in Nature Communications vorgestellt .


Diskussion der Ergebnisse der theoretischen Modellierung der Atomstruktur eines Materials

Der technologische Fortschritt ist gnadenlos: Materialien, die heute überall verwendet werden, werden morgen veraltet sein. Wohin als nächstes, wenn alles Mögliche bereits getan wurde? Das ist richtig - das Unmögliche zu schaffen. Genau das hat das internationale Wissenschaftlerteam von NUST „MISiS“, der Universität Bayreuth (Deutschland) und der Universität Linkoping (Schweden) getan - mehrere Wissenschaftler arbeiten bereits an der Frage, wie superharte Modifikationen von Übergangsmetallcarbiden und -nitriden bei einem Druck hergestellt werden können, der hunderttausendmal höher ist als der atmosphärische.

Solche Metalle haben eine hohe Härte und einen hohen Schmelzpunkt, wodurch sie zur Herstellung hitzebeständiger Legierungen, Schneidwerkzeuge, Hochtemperatursensoren als säure- und alkalibeständige Schutzbeschichtungen verwendet werden. Die Schaffung fortschrittlicherer superharter Modifikationen wird die Verwendung solcher Materialien auf ein grundlegend neues Niveau bringen. Aber wie sie sagen, "es gibt eine Nuance." Frühere Experimente haben die Möglichkeit bewiesen, "unmögliche" Modifikationen von Übergangsmetallnitriden für terrestrische Bedingungen zu erzeugen, aber sie "zerfielen", sobald der Druck abnahm. Dies geschah mit Berylliumoxid , Siliciumdioxid , einer Reihe von Nitriden und Hämatit .

Ein Durchbruch erwartete die Wissenschaftler jedoch nach ihren neuesten Erfahrungen: Zum ersten Mal behielt das unter diesem Druck modifizierte Material seine neue Struktur und Eigenschaften unter "Raum" -Bedingungen bei. Das Material, das überlebte, war Rheniumpernitrid mit zwei zusätzlichen Stickstoffatomen - Re2 (N2) (N2) .

In Bezug auf die Komplexität kann diese Entwicklung mit einem Golfspiel verglichen werden, bei dem sich das Loch für den Ball an einem steilen Hang befindet und Sie Wege finden müssen, um den Ball nicht nur dorthin zu werfen, sondern auch zu halten.

Im experimentellen Teil der Studie wurde Rhenium in einen Diamantamboss gegeben und Stickstoff zugeführt. Dann wurde der Amboss gleichzeitig mit dem Erhitzen des Lasers über 2000 Kelvin (> 1700 ° C) zusammengedrückt. Als Ergebnis wurde bei Drücken von 40 bis 90 GPa (von 400 bis 900.000 Erdatmosphären) eine spezielle Einkristallstruktur erhalten - Rheniumpernitrid und zwei Stickstoffatome.

„Rhenium selbst ist praktisch inkompressibel, sein Volumenelastizitätsmodul beträgt ungefähr 400 GPa. Nach der Änderung stieg sie jedoch auf 428 GPa. Zum Vergleich: In Diamant sind es 441 GPa. Aufgrund von Stickstoffeinschlüssen erhöhte sich die Härte von Rheniumpernitrid um das Vierfache - bis zu 37 GPa. Normalerweise können Materialien, die bei ultrahohen Drücken modifiziert wurden, ihre Eigenschaften nach der Extraktion aus einem Diamantamboss nicht beibehalten. In diesem Fall erwarteten andere Experimentatoren jedoch Erfolg. Da ein solches Ergebnis natürlich begründet werden muss, haben wir begonnen, den Prozess auf unserem Supercomputer zu modellieren. Die theoretischen Ergebnisse stimmten mit den experimentellen Daten überein und ermöglichten es, sowohl die ungewöhnlichen Eigenschaften des neuen Materials als auch die Möglichkeit seiner Synthese nicht nur unter extremen, sondern auch unter terrestrischen Bedingungen zu erklären “, sagt Professor Igor Abrikosov, Doktor der Philosophie, wissenschaftlicher Direktor Labor "Modellierung und Entwicklung neuer Materialien" NUST "MISiS", Leiter der Abteilung für Theoretische Physik, Institut für Physik, Chemie und Biologie, Universität Linkoping.



Zusätzliche Stickstoffeinschlüsse - solche, die die Härte des Materials um das Vierfache erhöhen

Hier ist es jedoch wichtig zu verstehen, dass ein Diamantamboss ausschließlich für Experimente geeignet ist - er ist zu klein, kompliziert und teuer, um im Produktionsmaßstab installiert zu werden. Aus diesem Grund war der nächste Schritt der Wissenschaftler die Schaffung einer Technologie zur Synthese einer neuen Modifikation des Materials unter "einfacheren" Bedingungen. Nachdem die Wissenschaftler eine Vorstellung von den Prozessen erhalten hatten, die bei ultrahohen Drücken im Material ablaufen, konnten sie eine chemische Reaktion mit Ammoniumazid in der Presse bei einem Druck von 33 GPa berechnen und durchführen. Nachdem das Vorhandensein einer solchen Modifikation des Materials theoretisch und experimentell nachgewiesen wurde, können andere Verfahren zu seiner Herstellung versucht werden, beispielsweise durch Abscheidung dünner Filme.