Химики выясняют, чем можно заменить алмазы
Химиками из МФТИ и "Сколтеха" проведён анализ таблицы Менделеева с помощью уникальных алгоритмов. Это позволило составить список кандидатов на роль равнозначной замены для алмазов, что используют в буровых установках и прочих инструментах. Детально «конкуренты бриллиантов» представлены в публикации Journal of Applied Physics.
Авторы работы пояснили, что им удалось создать своего рода дорожную карту, что позволит экспериментаторам определиться с удачным направлением для поисков новых сверхтвердых материалов. Причём, быстрее и дешевле, чем при использовании иных методов.
Химические свойства и прочие характеристики всех сложных молекул зависят, в первую очередь, от взаимодействия друг с другом их атомов, от строения их электронных оболочек и влияния внешних факторов, таких как температура и давление.
Функционал этих элементов управляется с помощью достаточно простых физических законов, в том числе принципов квантовой механики, но предсказать их свойства или поведение крайне сложно. Это обусловлено тем, что сложность расчетов резко вырастает с добавлением каждого нового электрона, отчего свойства даже простых кристаллов и молекул почти невозможно рассчитать даже самым мощным суперкомпьютерам.
Известному российскому химику Артему Оганову удалось решить данную проблему еще в 2004 году: он создал эволюционный алгоритм USPEX, что позволяет оперативно и точно выявлять свойства кристаллов разных веществ при разных температурах и давлениях. Исходные данные – исключительно их химическая формула и названия элементов.
Открытие позволило Оганову и четырем тысячам других ученых использовать этот алгоритм для открытия множества полезных и просто интересных веществ, в частности, необычных сверхпроводников на базе урана, уникального по прочности материала из вольфрама, "идеальной взрывчатки" из атомов азота и хрома и др.
В своей новой работе Оганов, Квашнин и Захид Аллаяри, аспирант "Сколтеха", применили новую версию USPEX, чтобы решить еще более серьезную задачу – поиск материала, не уступающего алмазу по твердости и износостойкости.
Искателями использовались не конкретные комбинации элементов, а фактически вся таблица Менделеева, чтобы отыскать альтернативу алмазам. Любопытно, что свойства всех известных сверхтвердых материалов удалось предсказать с точностью более 90%. Что позволит использовать алгоритм для дальнейших поисков подходящего претендента на роль наиболее твердого и прочного материала.
Так, были обнаружены подобные свойства у гидрида марганца, хотя Оганов и его коллеги ранее считали, что он не может обладать твердой фазой. Но на деле он оказался более твердым, чем стишовит, являющийся сверхтвердой формой двуокиси кремния, которая возникает при ударах метеоритов.
Сейчас группа химиков работает над синтезом пентаборида вольфрама, одного из сверхтвердых веществ, что ближе всех по характеристикам к алмазам.