Современная наука интенсивно ищет материалы, которые смогут на равных конкурировать с алмазом по прочности и износостойкости. Ведущие химики МФТИ и Сколтеха, вдохновленные идеями Александра Квашнина и Артема Оганова, провели масштабные вычисления, комплексно проанализировав всю таблицу Менделеева при помощи революционного эволюционного алгоритма USPEX. Это позволило сформировать перечень перспективных кандидатов для замены алмазов в промышленности и технике.
Совершенствование подходов: эволюционный алгоритм USPEX
Многие вещества, определяющие облик современной индустрии, обязаны своими свойствами тонким нюансам того, как именно атомы соединяются в кристаллических решетках. Обычные методы прогнозирования физических характеристик сталкиваются с трудностями из-за огромной сложности расчетов, особенно для твердых и сверхтвердых материалов. Решение этой задачи предложил Артем Оганов, создав в 2004 году уникальный алгоритм USPEX, который быстро и с высокой точностью рассчитывает свойства новых кристаллов, используя лишь их формулы и состав элементов.
Сообщество ученых, насчитывающее тысячи специалистов, уже использует USPEX для поисков экзотических фаз, сверхпроводников, новых взрывчатых веществ, а также материалов, обладающих выдающейся твердостью. Среди наиболее впечатляющих примеров – стабильные соединения на базе урана, необычайно прочные кристаллы вольфрама и другие удивительные материалы.
Глобальный анализ: поиск сверхтвердых кандидатов
В последнем исследовании Артем Оганов, Александр Квашнин и Захид Аллаяри расширили границы поиска, используя USPEX для скрининга вариантов по всей таблице Менделеева. Вместо традиционного маршрута – изучения специфических соединений, ученые перебрали самые разные сочетания элементов, чтобы выявить вещества с потенциалом стать по-настоящему конкурентоспособными альфаматериалами для инструментального производства.
Результаты этих расчетов позволяют говорить о качественном скачке в понимании, какие физико-химические принципы управляют твердостью и устойчивостью к износу. Одним из главных выводов стало то, что, несмотря на уникальную прочность алмаза, существует целый ряд соединений и фаз, которые можно попробовать синтезировать в лаборатории и испытать в реальных условиях.
Гидрид марганца и пентаборид вольфрама — новые герои сверхтвердости
Среди обнаруженных соединений особое внимание ученых привлек гидрид марганца, который ранее не рассматривался в качестве кандидата на получение твердых фаз. Неожиданно выяснилось, что этот материал может конкурировать с известнейшими сверхтвердыми веществами: например, по микротвердости он превосходит стишовит – форму диоксида кремния, возникающую при колоссальных давлениях. При этом, несмотря на чуть меньшую стойкость к истиранию по сравнению с алмазом, его перспективы для практического использования чрезвычайно высоки.
Еще одним выдающимся материалом стал пентаборид вольфрама. Над его синтезом и внедрением в настоящее время активно трудится команда Александра Квашнина. Это соединение максимально приближено по целому ряду характеристик к алмазу, открывая новые пути для разработки прорывных буровых и режущих инструментов.
Преимущества вычислительных методов и точность прогнозов
Одна из наиболее значимых сторон работы команды заключается в невероятно высокой точности прогнозирования свойств новых фаз: точность расчетных характеристик превышает 90% для известных сверхтвердых соединений. Это значит, что поиск новых суперматериалов становится значительно более управляемым, экономичным и быстрым – ведь теперь ученые могут сверяться с результатами моделирования до проведения дорогостоящих и трудоемких экспериментов.
Созданная “дорожная карта” материалов открывает путь к стремительному развитию материалоемких отраслей: от нефтедобычи до микроэлектроники, где каждая единица прочности может оказаться критичной для ресурса и эффективности оборудования.
Взгляд в будущее: открытие эры новых сверхтвердых материалов
Команда ученых МФТИ и “Сколтеха” полна оптимизма по поводу дальнейших перспектив. Александр Квашнин подчеркивает: изыскания в области синтеза пентаборида вольфрама и исследований гидрида марганца идут полным ходом. В скором будущем можно ожидать появления новых экспериментальных образцов, которые смогут на практике подтвердить надежность и прочность, предсказанную расчетами с помощью USPEX.
Понимание основных принципов, управляющих свойствами супертвердых материалов, откроет человечеству доступ к новым горизонтам прецизионного производства, энергетики и научных исследований. Передовые алгоритмы, разработанные в России, – серьёзное слово на мировой арене науки о материалах!
Изображение: studioaccendo/Фотобанк RU.123.RF
Источник: scientificrussia.ru
