Bahan yang selamat: struktur "mustahil" yang tahan terhadap kondisi terestrial pertama kali diperoleh

"Bahan-bahan yang diperoleh pada tekanan ratusan ribu atmosfer terestrial" terdengar dengan bangga, tetapi menimbulkan pertanyaan logis: "Apa yang akan terjadi jika tekanan berkurang? Apa gunanya bekerja dengan struktur yang tidak bisa ada di luar tekanan sangat tinggi? " Tetapi intinya adalah bahwa satu hari setelah pekerjaan yang panjang dan sistematis, Anda akan mengosongkan landasan berlian, dan ternyata bahan baru Anda utuh, tidak terluka, dan tidak akan hancur. Dan kemudian, setelah sedikit "disulap" dengan reaksi kimia yang kompleks, Anda akan belajar cara mendapatkannya dalam kondisi yang lebih sederhana. Ini adalah jenis kesuksesan yang ditunggu-tunggu oleh para ilmuwan NISU MISiS dan kolega mereka dari Jerman dan Swedia ketika mereka memutuskan untuk memodifikasi renium dengan nitrogen. Artikel dengan hasil eksperimen dan justifikasi teoretisnya disajikan dalam Nature Communications .


Pembahasan hasil pemodelan teoritis dari struktur atom suatu material

Kemajuan teknologi tanpa ampun: bahan yang digunakan di mana-mana hari ini akan menjadi usang besok. Ke mana harus pergi selanjutnya jika segala sesuatu yang mungkin telah dilakukan? Itu benar - untuk menciptakan yang tidak mungkin. Inilah yang dilakukan oleh tim ilmuwan internasional dari NUST "MISiS", University of Bayreuth (Jerman) dan Linkoping University (Swedia) - beberapa ilmuwan sudah bekerja pada masalah menciptakan modifikasi superhard dari karbida dan nitrida logam transisi dengan tekanan ratusan ribu kali lebih tinggi daripada atmosfer.

Logam tersebut memiliki kekerasan tinggi dan titik lebur yang tinggi, yang digunakan untuk membuat paduan tahan panas, alat pemotong, sensor suhu tinggi, sebagai pelapis pelindung tahan asam dan alkali. Penciptaan modifikasi superhard yang lebih maju akan membawa penggunaan bahan-bahan tersebut ke tingkat yang baru secara fundamental. Tapi, seperti kata mereka, "ada nuansa." Eksperimen sebelumnya membuktikan kemungkinan menciptakan modifikasi "mustahil" dari logam nitrid transisi untuk kondisi terestrial, tetapi mereka "hancur" segera setelah tekanan menurun. Ini terjadi dengan berilium oksida , silika , sejumlah nitrida dan hematit .

Namun, sebuah terobosan menunggu para ilmuwan dalam pengalaman terbaru mereka: untuk pertama kalinya, material yang dimodifikasi pada tekanan ini mempertahankan struktur dan sifat-sifat baru di bawah kondisi "ruang". Bahan yang selamat adalah renium pernitride dengan dua atom nitrogen tambahan - Re2 (N2) (N2) .

Dalam hal kompleksitas, pengembangan ini dapat dibandingkan dengan permainan golf, di mana lubang untuk bola berada di lereng yang curam, dan Anda perlu menemukan cara untuk tidak hanya melempar bola ke sana, tetapi juga untuk menahannya.

Pada bagian eksperimental studi ini, renium ditempatkan di landasan intan dan nitrogen disuplai. Kemudian landasan itu dikompresi pada saat yang sama dengan laser dipanaskan di atas 2000 Kelvin (> 1700 ° C). Akibatnya, pada tekanan 40 hingga 90 GPa (dari 400 hingga 900 ribu atmosfer terestrial), diperoleh struktur kristal tunggal khusus - renium pernitride dan dua atom nitrogen.

“Rhenium sendiri praktis tidak bisa dimampatkan, modulus elastisitasnya kira-kira 400 GPa. Tetapi setelah modifikasi, itu meningkat menjadi 428 GPa. Sebagai perbandingan, berlian adalah 441 GPa. Selain itu, karena inklusi nitrogen, kekerasan renium pernitride meningkat hingga 4 kali lipat - hingga 37 GPa. Biasanya, bahan yang dimodifikasi dengan tekanan sangat tinggi tidak dapat mempertahankan sifatnya setelah diekstraksi dari landasan intan, namun, dalam hal ini, sesama peneliti berharap sukses. Tentu saja, hasil seperti itu membutuhkan pembenaran, jadi kami mulai memodelkan proses pada superkomputer kami. Hasil teoritis bertepatan dengan data eksperimental dan memungkinkan untuk menjelaskan sifat tidak biasa dari bahan baru dan kemungkinan sintesisnya tidak hanya dalam kondisi ekstrem tetapi juga dalam kondisi terestrial , ”kata Profesor Igor Abrikosov, Ph.D., penasihat ilmiah laboratorium "Pemodelan dan pengembangan bahan baru" NUST "MISiS", kepala Departemen Fisika Teoritis, Institut Fisika, Kimia dan Biologi, Universitas Linkoping.



Inklusi nitrogen tambahan - yang meningkatkan kekerasan material 4 kali

Tetapi di sini penting untuk dipahami bahwa landasan intan cocok untuk eksperimen - terlalu kecil, rumit, dan mahal untuk dipasang pada skala produksi. Itulah sebabnya langkah ilmuwan berikutnya adalah penciptaan teknologi untuk sintesis modifikasi materi baru dalam kondisi yang lebih "sederhana". Setelah menerima gagasan tentang proses yang terjadi pada bahan dengan tekanan sangat tinggi, para ilmuwan dapat menghitung dan melakukan reaksi kimia dengan ammonium azide di media dengan tekanan 33 GPa. Sekarang setelah adanya modifikasi bahan tersebut telah dibuktikan secara teoritis dan eksperimental, metode lain untuk persiapannya dapat dicoba, misalnya, dengan pengendapan film tipis.