Физики рассчитали формулу самого тугоплавкого материала в мире

Химики из Университета Брауна (Провиденс) теоретически предсказали существование фазы смешанного карбида-нитрида гафния с рекордно высокой температурой плавления — свыше 4400 градусов Кельвина. 29 Июль 2015, 08:34
Физики смоделировали на компьютере материал, точка плавления которого выше, чем у всех известных науке веществ. О своем исследовании они рассказали на страницах журнала Physical Review B .
Материал, где в определенной пропорции будут смешаны гафний, азот и углерод, будет плавиться только при температуре, превышающей 4400 кельвина (4127 градусов по Цельсию). Это примерно две трети от температуры на поверхности Солнца и на 200 градусов выше, чем показали реальные эксперименты с другими материалами.
+Материал, где в определенной пропорции будут смешаны гафний, азот и углерод, будет плавиться только при температуре, превышающей 4400 кельвина (4127 градусов по Цельсию). Это примерно две трети от температуры на поверхности Солнца и на 200 градусов выше, чем показали реальные эксперименты с другими материалами.
Фрагмент карты электронной плотности в структуре карбида графиня
Изображение: Qi-Jun Hong et al. / PRB, 2015
Предыдущий рекордсмен представляет собой сплав гафния, тантала и углерода (Hf-Ta-C). Новое вещество только предстоит синтезировать — чтобы удостовериться в истинности компьютерной модели.
Исследователи сделали свое открытие, моделируя физические процессы на уровне отдельных атомов. В рамках этого подхода динамика плавления исследуется в наномерных масштабах — с группами из примерно сотни атомов.
Аксель ван дер Валле (Axel van de Walle) из Университета Брауна и его коллеги начали с анализа сплава Hf-Ta-C, свойства которого уже были известны. Компьютерное моделирование помогло прояснить конкретные факторы, придающие материалу рекордную теплостойкость.
Выяснилось, что в Hf-Ta-C высокая теплота плавления (энергия, которая поглощается при переходе из твердого в жидкое состояние) сочетается с небольшой разницей между значениями энтропии в этих двух фазах. «Таять материалы заставляет энтропия, накопленная в процессе фазового перехода. Если уровень энтропии в твердом состоянии уже велик, вещество таким образом стабилизируется, а его температура плавления — повышается», — объясняет ван дер Валле.
Трехмерная фазовая диаграмма в системе гафний-углерод-азот. Температура, предсказанная методами теории функционал плотности отличается от экспериментальной примерно на пять процентов, поэтому теоретическая оценка Tплавления нового соединения — примерно 4400 кельвинов
Изображение: Qi-Jun Hong et al. / PRB, 2015
Затем ученые начали поиск соединений, способных максимально усилить эти свойства сплава. Оказалось, что соединение гафния, азота и углерода будет обладать почти такой же высокой теплотой плавления и еще меньшей разницей между уровнями энтропии в твердом и газообразном состоянии. Расчеты показали, что температура плавления у нового вещества будет на 200 градусов выше, чем у сплава Hf-Ta-C.
Открытие ванн дер Валле теоретически может лечь в основу новых материалов с улучшенными характеристиками – начиная от покрытия для газотурбинных установок и заканчивая теплозащитными фильтрами скоростных самолетов. Однако ценность самого сплава далеко не очевидна. «Точка плавления — это не единственное свойство, имеющее значение для практического использования вещества. Нужно учесть механические свойства, коррозионную стойкость, другие особенности — и все они могут снизить температуру плавления. Впрочем, если сразу задать высокую планку на этом направлении, у ученых появляется больше свободы в корректировке других свойств. Примерно так я и представляю себе ход дальнейшей работы», — поясняет ван дер Валле.