Scientifiques utilisant des matériaux prédits par simulation informatique avec un point de fusion record

Les scientifiques des matériaux de l'Université Brown (Rhode Island, États-Unis) utilisant une simulation informatique ont calculé qu'un matériau fabriqué à partir d'hafnium, d'azote et de carbone aura le point de fusion le plus élevé de tous connu à ce jour. Dans leurs calculs, les scientifiques ont utilisé les lois de la mécanique quantique.

L' hafnium métallique a été découvert au début du XXe siècle. Il est lui-même réfractaire - son point de fusion est de 2506 K. Bien que ce soit moins que, disons, le célèbre tungstène (3695 K), mais les alliages avec la participation de carbone et d'hafnium ont longtemps établi des records de points de fusion.

Par exemple, depuis 1930, le carbure de tantale-hafnium (Ta ₄ HfC₅ ) - 4215 K. Mais le nouveau matériau hypothétique remporte cette compétition avec une température d'au moins 4400 K. C'est plus des 3/4 de la température de surface effective du Soleil (5778 K). Il est vrai que tout ceci n'est qu'une théorie jusqu'à présent - il est encore nécessaire de fabriquer un tel matériau et de le tester dans un four très, très chaud.

Mais le fait que de telles théories puissent être calculées sur ordinateur est un grand pas en avant. «L'avantage de l'approche, dans laquelle la recherche commence par des simulations informatiques, est que nous pouvons tester de nombreuses combinaisons différentes sans le coût élevé des tests, et trouver immédiatement les options que vous devriez expérimenter en laboratoire», explique Axel van de Vale, assistant professeurs et co-auteur de l'article. "Dans une situation normale, nous aurions agi au hasard - mais maintenant nous savons avec quoi expérimenter."

À l'aide du superordinateur de la National Science Foundation, les scientifiques ont simulé des processus physiques au niveau atomique, simulant le comportement de centaines d'atomes, en utilisant les lois de la physique quantique. Sur la base de la structure du carbure de tantale-hafnium, les scientifiques utilisant des calculs informatiques ont découvert exactement quels facteurs conduisent à un point de fusion aussi élevé.

Il s'est avéré que le carbure de tantale-hafnium combine une chaleur de fusion spécifique élevée avec une petite différence d'entropie entre les phases liquide et solide. Comme l'explique van de Weil, lorsque le matériau fond, son entropie augmente et si la différence d'entropie entre les états solide et liquide est faible, la température requise pour la transition de phase est plutôt élevée pour un tel matériau. Partant de là, ils ont réussi à sélectionner un matériau pour lequel la différence d'entropie est inférieure à celle du matériau initial, et la température de fusion, respectivement, est plus élevée.

À partir d'alliages de tantale et d'hafnium, fabriquez des pièces de la technologie des fusées (buses, gouvernails à gaz) et des électrodes pour la découpe air-plasma et oxygène-flamme des métaux. Les caractéristiques du matériau théoriquement prévu n'ont pas encore été clarifiées dans la pratique - les propriétés telles que les propriétés mécaniques, l'oxydabilité, etc., ne sont pas moins importantes que le point de fusion. Mais, comme le note van de Vale, le travail sur le calcul théorique de la température de fusion est important en soi, car il est assez difficile à calculer, par rapport à d'autres caractéristiques des matériaux.

Source: https://habr.com/ru/post/fr382409/