科学家计算了超硬硼化钼的晶体结构

时间:2020-04-30 21:31 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

科学家计算了超硬硼化钼的晶体结构

在寻找新的超硬化合物的过程中,研究人员对稳定的硼化钼及其晶体结构进行了预测。他们发现,最高硼化物每一个钼原子含有4到5个硼原子。MoB5的维氏硬度估计为37到39 GPa,这使得它成为一种潜在的超硬材料。这项研究发表在《物理化学快报》杂志上。

在此之前,由Skoltech和MIPT教授Artem Oganov领导的一组研究人员在《应用物理学杂志》上发表了一项研究,他们编制了一份可能具有工业应用价值的硬材料和超硬材料的清单。这份清单是用进化算法USPEX和新的维氏硬度模型(在材料上留下金字塔形压痕所需的压力)和断裂韧性(材料抵抗断裂扩展的能力)制成的,作者把它称为试验者的“宝图”。

在这篇新论文中,来自莫斯科物理技术研究所、俄罗斯拉斯大学普罗霍罗夫普通物理研究所、俄罗斯国立研究医科大学Pirogov以及中国西安西北工业大学的科学家们研究了地图上的钼硼化物区域。过渡金属硼化物是传统硬质合金和超硬材料的潜在替代品。与广泛使用的金刚石和立方氮化硼不同,过渡金属硼化物的合成不需要高压,因此生产成本更低。

科学家计算了超硬硼化钼的晶体结构

由于电子相互排斥,金属原子的高价电子密度能抵抗压缩,而共价硼硼键和硼-金属键能抵抗弹性和塑性变形。

通常将模拟的x射线衍射(XRD)图谱与实验中提出的图谱进行比较,以确定预测的结构与实验结果是否一致。然而,考虑到过渡金属硼化物,如钼硼化物,XRD图谱只会显示较重原子的信号,而轻硼原子的位置基本上是不可见的。这就是为什么仅仅基于实验数据的晶体结构模型往往是不现实和不稳定的。因此,确定晶体结构的综合方法需要最先进的理论计算,”作者之一、Skoltech和MIPT高级研究员亚历山大?克瓦什宁表示。

结果表明,五硼化钼是最稳定的硼化钼,而模拟的XRD图谱与实验数据接近,但不完全一致。预测的五硼化物有一些在实验中没有观察到的弱峰。这暗示在实验样本中有更高的对称性。新化合物的关键结构元素是硼原子排列在石墨烯样层、钼层和硼原子三角形中。硼和钼原子排列成交替的层,一些Mo原子被B3三角形取代,均匀地分布在整个晶体的体积中。

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“我们做了一个假设,即最高硼化物的结构是无序的,硼三角形在统计上取代了钼原子。为了证明,我们开发了一个格点模型,使我们能够定义的规则支配硼单位应如何定位达到能量最低,“说德米特里?Rybkovskiy Skoltech研究员和a . m .普罗霍罗夫普通物理研究所和第一作者的工作。

用蛮力搜索钼原子和硼三角形的位置,采样不同的变体,发现了与稳定性有关的模式。稳定相每1个金属原子含有4 ~ 5个硼原子,其中MoB4.7是最稳定的,与实验XRD图谱最匹配。

“这项研究是理论和实验相互作用的一个有趣的例子。理论预测了一种具有特殊性质和新结构的化合物,但实验表明实际材料更复杂,其结构部分是无序的。我们基于这些发现建立的理论使我们能够重现所有的实验观察,并了解这种材料的确切组成和结构,以及它的详细性质。特别是,计算出的硬度接近超硬材料的范围。

超硬材料具有广泛的工业应用,如机床制造、珠宝首饰或采矿。它们被用于切割、抛光、研磨、钻孔,因此寻找新的超硬化合物是一项重要的任务。

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