Chercheurs Skoltech, avec leurs collègues industriels et partenaires académiques, ont résolu un casse-tête des années 1960 sur la structure cristalline d'un borure de tungstène extra-dur qui peut être extrêmement utile dans les applications industrielles, y compris la technologie de forage. La recherche, soutenu par Gazpromneft Science &Technology Center, a été publié dans la revue Sciences avancées .

Les borures de tungstène ont d'abord captivé l'imagination des scientifiques au milieu du 20e siècle en raison de leur dureté et d'autres propriétés mécaniques fascinantes. Un puzzle de longue date a été la structure cristalline des phases W-B les plus élevées, le soi-disant WB 4 , qui variait énormément entre les modèles expérimentaux et les prédictions théoriques.

"Expérimentalement, la structure cristalline est déterminée par analyse de structure aux rayons X. Mais la grande différence dans les sections efficaces de diffusion atomique (tungstène lourd par rapport au bore léger) rend les positions des atomes de bore dans les borures de métaux de transition difficilement discernables par diffraction des rayons X. Ceci peut être résolu par diffraction des neutrons, mais toute méthode de diffraction ne peut donner que la structure moyenne. Si le matériel est désordonné, la connaissance complète de sa structure cristalline (y compris l'arrangement local des atomes) ne peut être obtenue qu'en utilisant une combinaison de techniques expérimentales (rayons X, diffraction des neutrons) et les méthodes de calcul de la science des matériaux, " Alexandre Kvachnine, Chercheur principal de Skoltech et premier auteur de l'étude, expliqué.

En 2017, Andrei Osiptsov et Artem R. Oganov de Skoltech ont proposé une idée pour rechercher des matériaux extra-durs à utiliser pour produire des fraises composites installées sur des trépans, qui sont utilisés pour le forage de puits de pétrole et de gaz. L'idée a été bien accueillie par Gazpromneft STC LLC, et la collaboration a commencé entre l'entreprise, Skoltech, et l'Institut Vereshchagin pour la physique des hautes pressions du RAS. Des chercheurs dirigés par Artem R. Oganov de Skoltech et MIPT ont prédit l'existence de WB 5 , pentaborure de tungstène, qui devait être plus dur que le carbure de tungstène largement utilisé et avoir une ténacité à la rupture comparable. Le composé a été synthétisé avec succès dans le laboratoire de l'Institut Vereshchagin pour compléter la boucle de recherche. Dans le nouveau journal, Oganov et ses collègues montrent que le débat de longue date de la BM 4 et le WB nouvellement prédit 5 sont en fait le même matériau.

"Nous avons étudié le système W-B afin de prédire la structure stable des borures de tungstène supérieurs, comme nous le savions déjà à propos de ce puzzle de longue date. Prédire une nouvelle BM 5 la structure était une surprise, d'autant plus qu'il possède des propriétés intéressantes telles que la dureté Vickers élevée et la ténacité à la rupture et reste stable à très haute température. Ensuite, nous avons pensé que ce matériau devrait trouver une application dans l'industrie. Nos collègues de l'Institut Vereshchagin l'ont synthétisé avec succès. Les diagrammes de diffraction correspondaient très bien à la prédiction théorique, sauf quelques pics faibles qui étaient présents en théorie, mais pas dans l'expérience. Notre WB prédit 5 a une structure monocristalline parfaite, mais comme nous l'avons montré, les expériences ont produit une WB désordonnée étroitement liée 5-x Matériel, " expliqua Kvashnine.

Les chercheurs ont synthétisé ce nouveau matériau, mesuré ses propriétés, et a révélé une connexion inattendue entre les deux composés :le nouveau matériau a une structure cristalline dérivée du WB 5 structure, avec une certaine quantité de désordre et de non stoechiométrie (cela signifie que les proportions de sa composition élémentaire ne peuvent pas être représentées par un rapport de petits nombres entiers). Ainsi, le nouveau matériel n'a pas été noté WB 4 mais comme WB 5−x . Sa structure cristalline a été prédite par USPEX, un algorithme évolutif développé par Oganov et ses étudiants, et élaboré par un modèle de réseau microscopique.

Depuis BM 5-x est relativement facile à synthétiser, ses excellentes propriétés mécaniques et sa stabilité à haute température en font un matériau très prometteur pour de nombreuses technologies où les composites à base de carbure de tungstène ont dominé au cours des 90 dernières années.

"Ce puzzle est résolu en détail. Nous avons une description microscopique détaillée de ce matériau et de sa structure, nous connaissons la gamme de compositions chimiques qu'il peut adopter, et ses propriétés. D'autres énigmes passionnantes attendent l'attention des théoriciens, " a déclaré Artem R. Oganov.