Химики-теоретики предсказали существование при комнатной температуре нескольких неизвестных ранее устойчивых кристаллических фаз в бинарной системе вольфрам-бор. Согласно результатам вычислений одно из этих соединений, пентаборид вольфрама WB5, по твердости уступает лишь алмазу и кристаллическому нитриду бора. Если такой кристалл удастся синтезировать в реальности, то он может стать заменой другим современным сверхтвердым материалам, таким как победит, пишут ученые в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Известно, что вольфрам и бор могут образовывать между собой довольно много устойчивых кристаллических структур. Наиболее устойчивы при комнатной температуре две фазы состава WB и еще три соединения: WB2, W2B, WB4. Все эти вещества плавятся при температурах выше 1000 градусов Цельсия, довольно инертны и обладают высокой твердостью (превосходя по ней, например, карбиды или силициды вольфрама). Из-за большого числа возможных соединений различного состава, их химических и физических свойств, система вольфрам-бор привлекала материаловедов как потенциальный источник сверхтвердых кристаллов, которые могут по своим механическим характеристикам конкурировать с теми материалами, которые используются сейчас. Тем не менее, несмотря на большое количество как экспериментальных, так и теоретических исследований, эта бинарная система до сих оставалась изучена не до конца.

Химики-теоретики из России, Армении и Китая под руководством Артема Оганова (Artem R. Oganov) из Сколковского института науки и технологии решили с помощью компьютерного моделирования более подробно исследовать фазовую диаграмму системы вольфрам-бор и обнаружили, что, кроме известных кристаллических фаз, эти элементы могут формировать еще три устойчивых соединения, неизвестных ранее: триборид тетравольфрама (W4B3), пентаборид гексавольфрама (W6B5) и пентаборид вольфрама (WB5). Существование всех известных кристаллических структур в ходе моделирования также было подтверждено.

Для моделирования использовался комбинированный алгоритм, основанный на использовании метода теории функционала плотности в рамках обобщенного градиентного приближения (generalized gradient approximation) и метода проекционных соединительных волн. В результате такого подхода ученым удалось обнаружить все возможные кристаллические фазы в системе, а также исследовать их устойчивость и механические свойства в зависимости от температуры.

Кристаллические структуры устойчивых боридов вольфрама. A. G. Kvashnin et al./ The Journal of Physical Chemistry Letters, 2018

Оказалось, что все из обнаруженных фаз — тугоплавкие и сверхтвердые. Наиболее интересным с точки зрения возможного промышленного использования оказался пентаборид вольфрама WB5, который по своим механическим характеристикам сравним с победитом — сплавом, состоящим из карбида вольфрама с добавками кобальта и углерода, — который сейчас используется в режущих и буровых инструментах. Твердость пентаборида вольфрама по Виккерсу составила 45 гигапаскалей (это в полтора раза больше, чем у победита), а устойчивость к образованию трещин — примерно 4 мегапаскаля на квадратный корень из метра (у победита она больше, но всего на 20 процентов).

Сравнение механических свойств различных боридов вольфрама (отмечены красными символами) с другими сверхтвердыми материалами (синие символы). A. G. Kvashnin et al./ The Journal of Physical Chemistry Letters, 2018

Кроме того, по данным моделирования, свои свойства пентаборид вольфрама сохраняет и при очень высоких температурах (как минимум до двух тысяч градусов Цельсия) — например, твердость при таком нагреве падает только до 27 гигапаскалей. Поэтому если такое вещество удастся синтезировать в реальности, то оно может оказаться конкурентом победиту и другим сверхтвердым материалам, которые используются сейчас в различных технологических процессах.

Если для буровых технологий в качестве устойчивого сверхтвердого материала обычно применяется именно победит, то для научных целей, когда объем необходимого твердого вещества намного меньше, чаще используют еще более твердые алмазы. Например, именно алмазы используются в специальных наковальнях для создания очень больших давлений, которые помогают получать твердый водород или заставляют реагировать между собой химически инертные газы.

Автор: Александр Дубов