Новый метод моделирования предскажет структуры еще не существующих металлических соединений

Ученые разработали метод, который позволяет предсказать строение интерметаллидов — соединений на основе двух или более металлов, обладающих повышенной прочностью и устойчивостью к температурам. Он опирается на универсальные механизмы взаимодействия атомов разных металлов друг с другом и формирования кристаллической решетки конечного материала. Предложенный подход упростит разработку новых материалов для аэрокосмической отрасли и автомобилестроения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

Чистые металлы, например железо, медь, алюминий и другие, имеют довольно простое строение: их атомы плотно упакованы в кристаллические решетки высокой симметрии. Если объединить в одном материале два разных металла, получится интерметаллидное соединение с гораздо более сложной структурой. Предсказать, как именно в ней расположатся атомы металлов, сложно, поскольку традиционные методы моделирования кристаллических решеток не учитывают все детали системы связей между атомами. Это усложняет поиск новых материалов с повышенной прочностью, устойчивостью к высоким температурам и другими важными для промышленности — в частности, для автомобиле- и авиастроения — качествами.

Ученые из Самарского государственного технического университета (Самара) разработали подход, позволяющий прогнозировать атомарное строение интерметаллидов с учетом особенностей строения металлов, из которых они образуются. Изначально авторы рассмотрели кристаллическую структуру различных металлов в виде трехмерной сетки, в узлах которой находятся атомы, соединенные между собой условными прямыми линиями — химическими связями.

Исследователи обнаружили, что сетку, описывающую структуру металла (например, кубическую решетку железа), можно представить в виде более простых взаимопроникающих подсеток с меньшим числом элементов (узлов). Некоторое количество таких подсеток можно удалить из общей кристаллической решетки, чтобы на их месте остались пустоты.

Согласно предложенной модели, именно в них при формировании интерметаллида встраиваются атомы другого металла. Таким образом, формирующаяся сложная структура из нескольких типов атомов сохраняет в себе черты более простой решетки исходного металла.

Ученые протестировали предложенный подход, смоделировав интерметаллидные соединения на основе трех наиболее распространенных среди металлов вариантов кристаллических решеток. Оказалось, новый метод позволяет воспроизвести архитектуру многих известных материалов, например интерметаллидов на основе титана и хрома; церия и кадмия; родия и ванадия и других.

Более того, для одного из вариантов кристаллических решеток авторам удалось найти 90 разных архитектур, всего 16 из которых лежат в основе известных интерметаллидов. Остальные 74 структуры могут служить шаблонами для проектирования новых материалов.

«Мы предложили подход, который ускорит разработку новых материалов для разных отраслей промышленности. Он позволит сначала точно смоделировать структуру соединения с интересующими свойствами, подобрать подходящий топологический шаблон и лишь после этого проводить синтез, который требует затрат времени и ресурсов. В дальнейшем мы планируем провести масштабное моделирование новых интерметаллических структур, проверить их стабильность методами квантовой химии, синтезировать их в лаборатории и экспериментально доказать их полезные свойства», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Блатова, кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии Самарского государственного технического университета.