Arranjo de átomos no cristal de boreto de molibdênio mais alto (MoB5-x) Crédito:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Lett.
Em sua busca por novos compostos superduros, pesquisadores realizaram uma previsão de boretos de molibdênio estáveis e suas estruturas cristalinas. Eles revelaram que os boretos mais elevados contêm quatro a cinco átomos de boro por cada átomo de molibdênio. A dureza Vickers estimada de MoB5 é de 37 a 39 GPa, o que o torna um potencial material superduro. O estudo foi publicado em The Journal of Physical Chemistry Letters .
Anteriormente, um grupo de pesquisadores liderado por Artem Oganov, professor da Skoltech e MIPT, publicou um estudo no Journal of Applied Physics em que eles compilaram uma lista de materiais duros e superduros que podem ter aplicações industriais úteis. Esta lista, feito usando o algoritmo evolutivo USPEX e novo modelo de dureza Vickers (pressão necessária para deixar um recuo em forma de pirâmide no material) e tenacidade à fratura (capacidade de um material de resistir à propagação de uma fratura), foi apelidado de "mapa do tesouro" para os experimentadores por seus autores.
No novo jornal, cientistas da Skoltech, Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, A. M. Prokhorov Instituto de Física Geral de RAS, Pirogov Russian National Research Medical University, e Northwestern Polytechnical University (Xi'an, PRC) estudou a região de boretos de molibdênio do mapa. Boretos de metais de transição são substitutos potenciais para ligas duras tradicionais e materiais superduros em aplicações tecnológicas. Ao contrário do diamante amplamente utilizado e do nitreto de boro cúbico, boretos de metais de transição não requerem alta pressão para sua síntese, tornando sua produção mais barata.
Materiais duros e superduros no "mapa do tesouro". A posição horizontal de um símbolo reflete sua resistência à fratura e sua posição vertical reflete sua dureza Vickers. Os símbolos pretos representam materiais conhecidos, os azuis representam novos materiais; símbolos marcados por uma mancha vermelha indicam materiais que são estáveis em condições ambientais. Crédito:Alexander G. Kvashnin, Journal of Applied Physics
A densidade de elétrons de alta valência dos átomos de metal resiste à compressão devido aos elétrons se repelirem, e ligações covalentes de boro-boro e boro-metal resistem a deformações elásticas e plásticas.
"Os padrões de difração de raios-X simulados (DRX) são geralmente comparados aos sugeridos no experimento para determinar se a estrutura prevista é compatível com a experimental. No entanto, considerando boretos de metais de transição, como boretos de molibdênio, o padrão de XRD mostrará apenas sinais dos átomos mais pesados, enquanto as posições dos átomos leves de boro serão essencialmente invisíveis. É por isso que os modelos de estrutura cristalina baseados apenas em dados experimentais são freqüentemente irrealistas e instáveis. Portanto, uma abordagem abrangente para determinar estruturas cristalinas requer cálculos teóricos de última geração, "diz Alexander Kvashnin, um dos autores e pesquisador sênior da Skoltech e MIPT.
Molibdênio pentaboride MoB 5 foi considerado o boreto mais alto estável, Contudo, os padrões de XRD simulados eram próximos, mas não idênticos aos dados experimentais. O pentaboride previsto teve alguns picos fracos que não foram observados nos experimentos. Isso sugeriu uma maior simetria na amostra experimental. Os principais elementos estruturais do novo composto são átomos de boro dispostos em camadas semelhantes ao grafeno, camadas de molibdênio, e triângulos de átomos de boro. Os átomos de boro e molibdênio estão dispostos em camadas alternadas com alguns átomos de Mo substituídos por B 3 triângulos espalhados uniformemente por todo o volume do cristal.
Várias estruturas de cristal de boreto de molibdênio obtidas usando o algoritmo da USPEX. Crédito:Dmitry V. Rybkovskiy, J. Phys. Chem. Lett.
"Fizemos a hipótese de que a estrutura do boreto mais alto está desordenada e os triângulos de boro substituem estatisticamente os átomos de molibdênio. Para provar isso, desenvolvemos um modelo de rede que nos permitiu definir as regras que governavam como as unidades de boro deveriam se posicionar para atingir a energia mais baixa, "diz Dmitry Rybkovskiy, bolsista de pesquisa no Skoltech e A. M. Prokhorov General Physics Institute e o primeiro autor do trabalho.
A busca de força bruta para as posições dos átomos de molibdênio e triângulos de boro, amostragem de diferentes variantes, revelou os padrões relacionados à estabilidade. As fases estáveis contêm quatro a cinco átomos de boro por um átomo de metal, e MoB 4,7 é o mais estável de tais compostos e dá a melhor correspondência com o padrão experimental de XRD.
"Este estudo é um exemplo interessante de interação entre teoria e experimento. A teoria previu um composto que demonstra propriedades peculiares e uma nova estrutura, mas o experimento sugeriu que o material real é mais complexo e sua estrutura está parcialmente desordenada. A teoria que formulamos com base nesses achados nos permitiu reproduzir todas as observações experimentais e entender a composição e estrutura exata deste material, bem como suas propriedades detalhadas. Em particular, a dureza calculada está próxima da faixa de materiais superduros, "disse Artem Oganov, professor da Skoltech e MIPT, e o líder da equipe de autores.
Os materiais superduros têm uma ampla gama de aplicações industriais, como a construção de máquinas-ferramenta, jóia, ou mineração. Eles são usados no corte, polimento, esmerilhamento, perfuração, portanto, a busca por novos compostos superduros é uma tarefa importante.
