Matériel qui a survécu: la structure «impossible» qui résiste aux conditions terrestres a d'abord été obtenue

«Les matériaux obtenus à des pressions de centaines de milliers d'atmosphères terrestres» résonnent fièrement, mais soulèvent des questions logiques: «Que se passera-t-il si la pression est réduite? Quel est l'intérêt de travailler avec des structures qui ne peuvent pas exister en dehors des pressions ultra-élevées? » Mais le fait est qu'une fois après un travail long et systématique, vous desserrerez l'enclume de diamant, et il se trouvera que votre nouveau matériau est intact, indemne et ne va pas se désintégrer. Et puis, ayant un peu plus «conjuré» avec des réactions chimiques complexes, vous apprendrez comment l'obtenir dans des conditions plus simples. C'est exactement le genre de succès que les scientifiques NISU MISiS et leurs collègues d'Allemagne et de Suède attendaient lorsqu'ils ont décidé de modifier le rhénium avec de l'azote. Un article avec des résultats expérimentaux et leur justification théorique est présenté dans Nature Communications .


Discussion des résultats de la modélisation théorique de la structure atomique d'un matériau

Le progrès technologique est impitoyable: les matériaux utilisés partout aujourd'hui deviendront obsolètes demain. Où aller si tout a déjà été fait? C'est vrai - pour créer l'impossible. C'est exactement ce qu'a fait l'équipe internationale de scientifiques de NUST «MISiS», de l'Université de Bayreuth (Allemagne) et de Linkoping University (Suède) - plusieurs scientifiques travaillent déjà sur la question de la création de modifications ultra-dures des carbures et nitrures de métaux de transition à des pressions des centaines de milliers de fois supérieures à la pression atmosphérique.

Ces métaux ont une dureté élevée et un point de fusion élevé, grâce auxquels ils sont utilisés pour créer des alliages résistants à la chaleur, des outils de coupe, des capteurs à haute température, comme revêtements protecteurs résistants aux acides et aux alcalins. La création de modifications ultra-avancées plus avancées amènera l'utilisation de ces matériaux à un niveau fondamentalement nouveau. Mais, comme on dit, "il y a une nuance". Des expériences antérieures ont prouvé la possibilité de créer des modifications «impossibles» des nitrures de métaux de transition pour les conditions terrestres, mais elles se sont «désintégrées» dès que la pression a diminué. Cela s'est produit avec l'oxyde de béryllium , la silice , un certain nombre de nitrures et l' hématite .

Cependant, une percée attendait les scientifiques dans leur dernière expérience: pour la première fois, le matériau modifié à cette pression a conservé sa nouvelle structure et ses propriétés dans des conditions de "pièce". Le matériau qui a survécu était du pernitrure de rhénium avec deux atomes d'azote supplémentaires - Re2 (N2) (N2) .

En termes de complexité, cette évolution peut être comparée à une partie de golf, où le trou pour la balle est sur une pente raide, et vous devez trouver des moyens non seulement de lancer la balle là-bas, mais aussi de la tenir.

Dans la partie expérimentale de l'étude, du rhénium a été placé dans une enclume en diamant et de l'azote a été fourni. Ensuite, l'enclume a été compressée en même temps que le laser était chauffé au-dessus de 2000 Kelvin (> 1700 ° C). En conséquence, à des pressions de 40 à 90 GPa (de 400 à 900 000 atmosphères terrestres), une structure monocristalline spéciale a été obtenue - le pernitrure de rhénium et deux atomes d'azote.

«Le rhénium lui-même est pratiquement incompressible, son module d'élasticité en vrac est d'environ 400 GPa. Mais après la modification, elle est passée à 428 GPa. A titre de comparaison, en diamant, il est de 441 GPa. De plus, en raison des inclusions d'azote, la dureté du pernitrure de rhénium a augmenté de 4 fois - jusqu'à 37 GPa. Habituellement, les matériaux modifiés à des pressions ultra-élevées ne sont pas en mesure de conserver leurs propriétés après extraction de l'enclume de diamant, mais dans ce cas, les collègues expérimentateurs s'attendaient au succès. Bien sûr, un tel résultat nécessite une justification, nous avons donc commencé à modéliser le processus sur notre supercalculateur. Les résultats théoriques ont coïncidé avec les données expérimentales et ont permis d'expliquer à la fois les propriétés inhabituelles du nouveau matériau et la possibilité de sa synthèse non seulement dans des conditions extrêmes mais aussi dans des conditions terrestres », explique le professeur Igor Abrikosov, Ph.D., conseiller scientifique laboratoire "Modélisation et développement de nouveaux matériaux" NUST "MISiS", chef du département de physique théorique, Institut de physique, chimie et biologie, Linkoping University.



Inclusions supplémentaires d'azote - celles qui ont augmenté la dureté du matériau 4 fois

Mais ici, il est important de comprendre qu'une enclume diamantée convient exclusivement aux expériences - elle est trop petite, compliquée et coûteuse à installer à l'échelle de la production. C'est pourquoi la prochaine étape des scientifiques a été la création d'une technologie pour la synthèse d'une nouvelle modification du matériau dans des conditions plus "simples". Ayant reçu une idée des processus se produisant dans le matériau à des pressions ultra élevées, les scientifiques ont pu calculer et conduire une réaction chimique avec l'azoture d'ammonium dans la presse à une pression de 33 GPa. Maintenant que l'existence d'une telle modification du matériau a été prouvée théoriquement et expérimentalement, d'autres méthodes pour sa préparation peuvent être essayées, par exemple, par le dépôt de films minces.