超硬材料網(wǎng)

在尋找新的超硬化合物時(shí)，研究人員對(duì)穩(wěn)定的硼化鉬及其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。他們發(fā)現(xiàn)，最高的硼化物每個(gè)鉬原子包含4至5個(gè)硼原子。MoB5的估計(jì)維氏硬度為37至39 GPa，這使其成為潛在的超硬材料。該研究發(fā)表在《The Journal of Physical Chemistry Letters》上。
       此前，由莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）的Artem Oganov教授領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員在《Journal of Applied Physics》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，綜合整理了可能具有工業(yè)應(yīng)用潛力的超硬材料清單。該清單是使用進(jìn)化算法USPEX、維氏硬度（在材料中留下金字塔形壓痕所需的壓力）和斷裂韌性（材料抵抗斷裂傳遞的能力）的新模型制成的，被稱為“寶藏圖譜”，供作者使用。
       在這份新論文中，來(lái)自莫斯科Skoltech大學(xué)、莫斯科物理與技術(shù)研究所、美國(guó)AM普羅霍羅夫RAS通用物理研究所、Pirogov俄羅斯國(guó)立醫(yī)科大學(xué)和中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家研究了地圖上的硼化鉬區(qū)域。過(guò)渡金屬硼化物在技術(shù)應(yīng)用中是傳統(tǒng)硬質(zhì)合金和超硬材料的潛在替代品。與廣泛使用的金剛石和立方氮化硼不同，過(guò)渡金屬硼化物的合成不需要高壓，因此生產(chǎn)成本較低。

超硬材料圖譜

       由于電子相互排斥，金屬原子的高價(jià)電子密度可抵抗壓縮，而共價(jià)硼-硼和硼-金屬鍵可抵抗彈性和塑性變形。
       “通常將模擬的X射線衍射（XRD）圖與實(shí)驗(yàn)的圖進(jìn)行比較，以確定預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)是否與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)兼容。但是，考慮到過(guò)渡金屬硼化物，例如硼化鉬，XRD圖只能顯示來(lái)自較重原子的信號(hào)，而較輕的硼原子的位置基本上是不可見(jiàn)的，這就是為什么僅基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的晶體結(jié)構(gòu)模型通常不現(xiàn)實(shí)且不穩(wěn)定的原因，因此，確定晶體結(jié)構(gòu)的全面方法需要最先進(jìn)的理論計(jì)算方法?！盨koltech和MIPT的資深研究員Alexander Kvashnin說(shuō)道。
       發(fā)現(xiàn)五硼化鉬MoB5是穩(wěn)定的最高硼化物，但是，模擬的X射線衍射圖案與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近但不完全相同。預(yù)測(cè)的五硼化物具有一些在實(shí)驗(yàn)中未觀察到的弱峰。這暗示了實(shí)驗(yàn)樣品中較高的對(duì)稱性。這種新化合物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元素是在石墨烯樣層中的硼原子、鉬層和硼原子的三角形排列。硼和鉬原子交替排列，一些Mo原子被均勻分布在整個(gè)晶體體積中的B3三角形取代。
       “我們提出了一個(gè)假設(shè)，即最高硼化物的結(jié)構(gòu)是無(wú)序的，并且硼三角形在統(tǒng)計(jì)學(xué)上取代了鉬原子。為了證明這一點(diǎn)，我們開發(fā)了一種晶格模型，使我們能夠定義控制硼單元應(yīng)如何定位于其上的規(guī)則。"論文的第一作者，Skoltech和AM Prokhorov通用物理研究所研究員Dmitry Rybkovskiy說(shuō)。

MoB5-x晶體中的原子排列

       通過(guò)對(duì)鉬原子和硼三角的位置進(jìn)行蠻力搜索，對(duì)不同的變體進(jìn)行采樣，發(fā)現(xiàn)了與穩(wěn)定性有關(guān)的模式。穩(wěn)定相每一個(gè)金屬原子中含有4～5個(gè)硼原子，MoB4.7是這類化合物中最穩(wěn)定的，并且與實(shí)驗(yàn)的X射線衍射圖樣匹配度最好。
       "這項(xiàng)研究是理論和實(shí)驗(yàn)之間相互作用的一個(gè)有趣的例子。理論預(yù)測(cè)了一種表現(xiàn)出奇特特性和新結(jié)構(gòu)的化合物，但實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際材料更加復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)部分無(wú)序。我們根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)所制定的理論，使我們能夠重現(xiàn)所有的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，了解這種材料的確切成分和結(jié)構(gòu)，以及它的詳細(xì)特性。特別是，計(jì)算出的硬度接近于超硬材料的范圍。"Skoltech和MIPT的教授、研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Artem Oganov說(shuō)。
       超硬材料具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，如機(jī)床制造、珠寶或采礦等。它們被用于切削、拋光、研磨、鉆孔，因此尋找新的超硬化合物是一項(xiàng)重要任務(wù)。
       論文標(biāo)題為《Structure, Stability, and Mechanical Properties of Boron-Rich Mo–B Phases: A Computational Study》