ПРЕДСКАЗАН МАТЕРИАЛ С РЕКОРДНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ПЛАВЛЕНИЯ

ПРЕДСКАЗАН МАТЕРИАЛ С РЕКОРДНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ПЛАВЛЕНИЯ

С помощью компьютерных расчетов исследователи из Университета Брауна предсказали существование материала, обладающего температурой плавления, более высокой, чем у любого известного в настоящее время вещества или смеси.

Результаты расчетов показывают, что материал, созданный из гафния, азота и углерода, скомбинированных в нужном соотношении, должен плавиться при температуре около 4150°C, что составляет примерно 2/3 от температуры фотосферы Солнца и на 200°C выше любой определенной экспериментально температуры плавления.

Экспериментально зафиксированный рекорд тугоплавкости принадлежит веществу, состоящему из гафния, тантала и углерода (Hf-Ta-C). Тем не менее, результаты расчетов говорят то том, что рекорд может быть побит материалом с составом HfN_0.38C_0.51. Следующий шаг, который хотят предпринять исследователи – синтезировать материал и проверить релевантность своих предсказаний.

Рисунок из Physical Review B, 2015; 92 (2) DOI: 10.1103/PhysRevB.92.020104

Как отмечает Аксель ван де Валле (Axel van de Walle), руководитель исследования, преимущество начала исследования с компьютерного анализа заключается в возможности дешевой проверки свойств различных комбинаций различных элементов и выбора тех комбинаций, которые имеет смысл опробовать экспериментально, добавляя, что ситуация, при которой эксперименты начинаются сразу, похожа на «стрельбу на слух в темноте».

Исследователи использовали методику компьютерного расчета, которая оценивает температуру плавления, квантово-механически симулируя физические процессы, протекающие на атомном уровне. Методика позволяет рассмотреть динамику плавления на наноуровне в блоках, состоящих из сотни атомов. Использованный алгоритм более эффективен, чем существующие подходы, хотя и требует больших затрат компьютерного времени и может быть реализован только на высокопроизводительном компьютерном кластере.

Ван де Валле и его коллеги начали анализ с материалов Hf-Ta-C, для которых экспериментально определена температура плавления. Такая симуляция позволила выявить ряд факторов, вносящих вклад на уникальную устойчивость материала по отношению к нагреву. Оказалось, что для Hf-Ta-C характерна комбинация высокой теплоты плавления и небольшого различия между энтропией жидкой и твердой фаз вещества. По словам ван де Валле, такое сочетание обуславливает тенденцию к стабилизации твердого состояния и увеличению температуры плавления.

Обнаруженная для известных тугоплавких веществ закономерность была использована для поиска соединений, которые могут отличаться еще большей температурой плавления. Было обнаружено, что материал, состоящий из гафния, азота и углерода, также может отличаться высокой теплотой плавления и небольшой разницей между энтропией твердого и жидкого агрегатных состояний. Оценка собственно температуры плавления HfN_0.38C_0.51 показала, что она должна на 200 градусов превышать рекорд тугоплавкости, установленный экспериментально.

Ван де Валле отмечает, что результаты его работы могут оказаться полезными для разработки новых высокопроизводительных материалов, которые могут найти применение в различных областях – от изготовления покрытий для лопастей газовых турбин до тепловых щитов сверхскоростных самолетов, хотя, строго говоря, и непонятно – удастся ли синтезировать само вещество HfN_0.38C_0.51, и будет ли от него какой-либо прок.

Источник: Physical Review B, 2015; 92 (2) DOI: 10.1103/PhysRevB.92.020104