Material que sobreviveu: a estrutura “impossível” que suporta as condições terrestres foi obtida pela primeira vez

“Os materiais obtidos sob pressões de centenas de milhares de atmosferas terrestres” soam orgulhosos, mas levantam questões lógicas: “O que acontecerá se a pressão for reduzida? Qual é o sentido de trabalhar com estruturas que são incapazes de existir fora de pressões ultra-altas? ” Mas o ponto é que, depois de um trabalho longo e sistemático, você abrirá a bigorna de diamante, e o novo material estará intacto, intacto e não se desintegrará. E então, tendo um pouco mais de "conjuração" com reações químicas complexas, você aprenderá como obtê-lo em condições mais simples. Foi um sucesso tão grande que os cientistas da NUST “MISiS” e seus colegas da Alemanha e da Suécia esperavam quando decidiram modificar o rênio com a ajuda do nitrogênio. Um artigo com resultados experimentais e sua justificativa teórica é apresentado em Nature Communications .


Discussão dos resultados da modelagem teórica da estrutura atômica de um material

O progresso tecnológico é impiedoso: os materiais usados ​​em todos os lugares hoje se tornarão obsoletos amanhã. Para onde ir se tudo já foi feito? É isso mesmo - criar o impossível. Isso é exatamente o que a equipe internacional de cientistas da NUST "MISiS", Universidade de Bayreuth (Alemanha) e Universidade de Linkoping (Suécia) - vários cientistas já estão trabalhando na questão da criação de modificações superdimensionadas de carbonetos e nitretos de metais de transição a pressões centenas de milhares de vezes maiores que a atmosférica.

Tais metais têm alta dureza e alto ponto de fusão, devido ao qual são usados ​​para criar ligas resistentes ao calor, ferramentas de corte, sensores de alta temperatura, como revestimentos de proteção resistentes a ácidos e álcalis. A criação de modificações superdiferentes mais avançadas trará o uso de tais materiais a um nível fundamentalmente novo. Mas, como se costuma dizer, "há uma nuance". Experiências anteriores provaram a possibilidade de criar modificações "impossíveis" de nitretos de metais de transição para condições terrestres, mas elas "se desintegraram" assim que a pressão diminuiu. Isso aconteceu com o óxido de berílio , sílica , vários nitretos e hematita .

No entanto, um avanço aguardou os cientistas em sua experiência mais recente: pela primeira vez, o material modificado a essa pressão reteve sua nova estrutura e propriedades em condições de "ambiente". O material que sobreviveu foi o pernitreto de rênio com dois átomos de nitrogênio adicionais - Re2 (N2) (N2) .

Em termos de complexidade, esse desenvolvimento pode ser comparado a um jogo de golfe, onde o buraco para a bola está em uma ladeira íngreme, e você precisa encontrar maneiras de não apenas jogar a bola ali, mas também de segurá-la.

Na parte experimental do estudo, o rênio foi colocado em uma bigorna de diamante e o nitrogênio foi fornecido. Em seguida, a bigorna foi comprimida ao mesmo tempo em que o laser foi aquecido acima de 2000 Kelvin (> 1700 ° C). Como resultado, a pressões de 40 a 90 GPa (de 400 a 900 mil atmosferas terrestres), foi obtida uma estrutura especial de cristal único - pernitreto de rênio e dois átomos de nitrogênio.

“O próprio rênio é praticamente incompressível, seu módulo de elasticidade a granel é de aproximadamente 400 GPa. Mas após a modificação, aumentou para 428 GPa. Para comparação, em diamante é de 441 GPa. Além disso, devido à inclusão de nitrogênio, a dureza do pernitreto de rênio aumentou 4 vezes - até 37 GPa. Geralmente, os materiais modificados a pressões ultra-altas não são capazes de reter suas propriedades após a extração de uma bigorna de diamante; no entanto, nesse caso, outros pesquisadores esperavam sucesso. Obviamente, esse resultado requer justificativa, então começamos a modelar o processo em nosso supercomputador. Os resultados teóricos coincidiram com os dados experimentais e permitiram explicar as propriedades incomuns do novo material e a possibilidade de sua síntese não apenas em condições extremas, mas também em condições terrestres ”, afirma o professor Igor Abrikosov, doutor em filosofia, diretor científico. laboratório "Modelagem e desenvolvimento de novos materiais" NUST "MISiS", chefe do Departamento de Física Teórica, Instituto de Física, Química e Biologia da Universidade de Linkoping.



Inclusões adicionais de nitrogênio - aquelas que aumentaram a dureza do material 4 vezes

Mas aqui é importante entender que uma bigorna de diamante é adequada exclusivamente para experimentos - é muito pequena, complicada e cara para instalar em uma escala de produção. Por isso, o próximo passo dos cientistas foi a criação de tecnologia para a síntese de uma nova modificação do material em condições mais "simples". Tendo recebido uma idéia dos processos que ocorrem no material a pressões ultra altas, os cientistas conseguiram calcular e conduzir uma reação química com azida de amônio na prensa a uma pressão de 33 GPa. Agora que a existência de tal modificação do material foi comprovada teórica e experimentalmente, outros métodos para sua preparação podem ser tentados, por exemplo, pela deposição de filmes finos.