Материал, который выжил: впервые получена «невозможная» структура, выдерживающая земные условия

«Материалы, полученные при давлениях в сотни тысяч земных атмосфер» звучит гордо, но вызывает логичные вопросы: «А что будет, если давление снизить? Какой смысл работать со структурами, которые не способны существовать вне сверхвысоких давлений?». А смысл в том, что однажды после длительной и систематизированной работы вы разожмете алмазную наковальню, и окажется, что ваш новый материал цел, невредим, и не собирается распадаться. А потом, еще немного «поколдовав» со сложными химическими реакциями, вы научитесь получать его и в более простых условиях. Именно такой успех ждал ученых НИТУ «МИСиС» и их коллег из Германии и Швеции, когда они решили модифицировать рений при помощи азота. Статья с результатами эксперимента и их теоретическим обоснованием представлена в Nature Communications.

Обсуждение результатов теоретического моделирования атомной структуры материала

Технологический прогресс беспощаден: материалы, используемые повсеместно сегодня, устареют уже завтра. Куда двигаться дальше, если все возможное уже сделано? Правильно – создавать невозможное. Именно так поступила международная команда ученых из НИТУ «МИСиС», Университета Байройта (Германия) и Линчёпингского университета (Швеция) – уже несколько ученые лет занимаются вопросом создания сверхтвердых модификаций карбидов и нитридов переходных металлов при давлениях, в сотни тысяч раз превышающих атмосферное.

Такие металлы обладают высокой твердостью, а также высокой температурой плавления, благодаря чему их применяют для создания жаропрочных сплавов, режущего инструмента, сенсоров высоких температур, в качестве кислото- и щелочестойких защитных покрытий. Создание более совершенных сверхтвердых модификаций позволит вывести использование таких материалов на принципиально новый уровень. Но, как говорится, «есть нюанс». Более ранние опыты доказывали возможность создания «невозможных» для земных условий модификаций нитридов переходных металлов, однако те «распадались», едва давление снижалось. Так получалось с оксидом бериллия, кремнеземом, рядом нитридов и гематитом.

Однако в последнем опыте ученых ждал прорыв: впервые материал, модифицированный при таком давлении, сохранил свою новую структуру и свойства в «комнатных» условиях. Материалом-который-выжил стал пернитрид рения с двумя дополнительными атомами азота – Re2(N2)(N2).
По степени сложности такую разработку можно сравнить с игрой в гольф, где лунка для мяча находится на крутом склоне, и нужно найти способы не только забросить туда мячик, но и удержать его.
В экспериментальной части исследования в алмазную наковальню помещался рений, и подавался азот. Затем производилось сжатие наковальни одновременно с нагревом лазером свыше 2000 Кельвинов (>1700 °C). В результате при давлениях от 40 до 90 ГПа (от 400 до 900 тысяч земных атмосфер) получилась особая монокристаллическая структура – пернитрид рения и два атома азота.

«Рений и сам по себе практически несжимаем, его объемный модуль упругости составляет примерно 400 ГПа. Но после проведенной модификации он увеличился до 428 ГПа. Для сравнения, у алмаза он составляет 441 ГПа. Кроме того, за счет азотных включений твердость пернитрида рения выросла в 4 раза – до 37 ГПа. Обычно материалы, модифицированные при сверхвысоких давлениях, не способны сохранять свои свойства после извлечения из алмазной наковальни, однако в данном случае коллег-экспериментаторов ждал успех. Разумеется, такой результат требует обоснования, поэтому мы занялись моделированием процесса на нашем суперкомпьютере. Теоретические результаты совпали с экспериментальными данными и позволили объяснить как необычные свойства нового материала, так и возможность его синтеза не только в экстремальных, но и в земных условиях», — рассказывает профессор Игорь Абрикосов, д.ф.-м.н., научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», заведующий отделом теоретической физики Института физики, химии и биологии Линчёпингского университета.

Дополнительные азотные включения — те самые, которые повысили твердость материала в 4 раза

Но тут важно понимать, что алмазная наковальня подходит исключительно для экспериментов – это слишком маленькая, сложная и дорогостоящая установка для производственных масштабов. Именно поэтому следующим шагом ученых стало создание технологии для синтеза новой модификации материала в более «простых» условиях. Получив представление о процессах, происходящих в материале при сверхвысоких давлениях, ученые смогли рассчитать и провести химическую реакцию с азидом аммония в прессе при давлении в 33 ГПа. Теперь, когда существование такой модификации материала доказано теоретически и экспериментально, можно пробовать и другие способы его получения – например, путем осаждения тонких пленок.