Dans leur recherche de nouveaux composés extra-durs, les chercheurs ont effectué une prédiction des borures de molybdène stables et de leurs structures cristallines. Ils ont révélé que les borures les plus élevés contiennent quatre à cinq atomes de bore pour chaque atome de molybdène. La dureté Vickers estimée du MoB5 est de 37 à 39 GPa, ce qui en fait un matériau superdur potentiel. L'étude a été publiée dans Le Journal des lettres de chimie physique .

Précédemment, un groupe de chercheurs dirigé par Artem Oganov, professeur à Skoltech et MIPT, a publié une étude dans le Journal de physique appliquée dans lequel ils ont compilé une liste de matériaux durs et extra-durs qui peuvent avoir des applications industrielles utiles. Cette liste, réalisé à l'aide de l'algorithme évolutif USPEX et du nouveau modèle de dureté Vickers (pression requise pour laisser une empreinte pyramidale dans le matériau) et de ténacité (capacité d'un matériau à résister à la propagation d'une fracture), a été surnommée une « carte au trésor » pour les expérimentateurs par ses auteurs.

Dans le nouveau journal, scientifiques de Skoltech, Institut de physique et de technologie de Moscou, Institut de physique générale A. M. Prokhorov de RAS, Université nationale de recherche médicale de Russie Pirogov, et l'Université polytechnique du Nord-Ouest (Xi'an, PRC) a étudié la région des borures de molybdène de la carte. Les borures de métaux de transition sont des substituts potentiels aux alliages durs traditionnels et aux matériaux extra-durs dans les applications technologiques. Contrairement au diamant et au nitrure de bore cubique largement utilisés, les borures de métaux de transition ne nécessitent pas de haute pression pour leur synthèse, rendant leur production moins chère.

La densité électronique à haute valence des atomes métalliques résiste à la compression due aux électrons qui se repoussent, et les liaisons covalentes bore-bore et bore-métal résistent aux déformations élastiques et plastiques.

"Les modèles de diffraction des rayons X (XRD) simulés sont généralement comparés à ceux suggérés dans l'expérience afin de déterminer si la structure prédite est compatible avec celle expérimentale. Cependant, compte tenu des borures de métaux de transition, tels que les borures de molybdène, le motif XRD ne montrera que les signaux des atomes les plus lourds tandis que les positions des atomes de bore légers seront essentiellement invisibles. C'est pourquoi les modèles de structure cristalline basés uniquement sur des données expérimentales sont souvent irréalistes et instables. Par conséquent, une approche globale de la détermination des structures cristallines nécessite des calculs théoriques de pointe, " dit Alexandre Kvashnine, l'un des auteurs et chercheur principal chez Skoltech et MIPT.

Pentaborure de molybdène MoB 5 s'est avéré être le borure stable le plus élevé, cependant, les modèles XRD simulés étaient proches mais pas identiques aux données expérimentales. Le pentaborure prédit avait quelques pics faibles qui n'ont pas été observés dans les expériences. Cela laisse entrevoir une symétrie plus élevée dans l'échantillon expérimental. Les éléments structurels clés du nouveau composé sont des atomes de bore disposés en couches de type graphène, couches de molybdène, et des triangles d'atomes de bore. Les atomes de bore et de molybdène sont disposés en couches alternées avec quelques atomes de Mo remplacés par B 3 triangles répartis uniformément dans tout le volume du cristal.

"Nous avons fait l'hypothèse que la structure du borure le plus élevé est désordonnée et que les triangles de bore remplacent statistiquement les atomes de molybdène. Afin de prouver cela, nous avons développé un modèle en treillis qui nous a permis de définir les règles qui régissent la façon dont les unités de bore doivent se positionner pour atteindre l'énergie la plus faible, " dit Dmitry Rybkovskiy, chercheur à Skoltech et A. M. Prokhorov General Physics Institute et le premier auteur de l'ouvrage.

La recherche par force brute des positions des atomes de molybdène et des triangles de bore, échantillonner différentes variantes, a révélé les modèles liés à la stabilité. Les phases stables contiennent quatre à cinq atomes de bore pour un atome de métal, et MoB 4.7 est le plus stable de ces composés et correspond le mieux au modèle XRD expérimental.

"Cette étude est un exemple intéressant d'interaction entre la théorie et l'expérience. La théorie a prédit un composé qui démontre des propriétés particulières et une nouvelle structure, mais l'expérience a suggéré que le matériau réel est plus complexe et sa structure est partiellement désordonnée. La théorie que nous avons formulée sur la base de ces résultats nous a permis de reproduire toutes les observations expérimentales et de comprendre la composition et la structure exactes de ce matériau, ainsi que ses propriétés détaillées. En particulier, la dureté calculée est proche de la gamme des matériaux extra-durs, " a déclaré Artem Oganov, professeur à Skoltech et MIPT, et le chef de l'équipe d'auteurs.

Les matériaux extra-durs ont une large gamme d'applications industrielles, comme la construction de machines-outils, bijoux, ou minière. Ils sont utilisés dans la coupe, polissage, affûtage, forage, la recherche de nouveaux composés extra-durs est donc une tâche importante.