Российские исследователи расшифровали кристаллическую структуру сверхтвердого борида вольфрама, который может найти применение, например, в буровых технологиях. Сделать это не удавалось в течение 60 лет. Работа ученых опубликована в журнале Advanced Science.

Бориды вольфрама впервые привлекли внимание ученых в середине XX века благодаря своей твердости и другим интересным механическим свойствам. С этими материалами связана одна загадка. Исследователи ранее изучали кристаллическую структуру высшего борида вольфрама WB₄ и оказалось, что ее теоретические модели и экспериментальные описания существенно отличаются друг от друга.

«Экспериментально кристаллическую структуру определяют с помощью рентгеноструктурного анализа. Однако высокая разница в эффективных сечениях рассеяния атомов внутри нее не позволяет отличить их позиции друг от друга. Эту проблему можно решить, использовав метод дифракции нейтронов, но любой подобный метод позволяет получить лишь усредненную структуру. Если материал неупорядоченный, то полностью понять его кристаллическую структуру, включая локальное расположение атомов, можно, только сочетая экспериментальные и вычислительные подходы», — отмечает первый автор статьи, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий Александр Квашнин.

В 2017 году исследователи из Сколтеха Андрей Осипцов и Артем Оганов предложили искать новые сверхтвердые материалы для композитных резцов долота, используемого для бурения нефтегазовых скважин. Для этого ученые начали сотрудничество с «Газпром нефтью». С тех пор исследователи предсказали существование пентаборида вольфрама WB₅, который по твердости превосходит карбид вольфрама. В конце концов соединение удалось синтезировать, и начались его испытания на практике.

Теперь ученые из Сколтеха показали, что загадочный тетраборид WB₄ и новый пентаборид вольфрама WB₅ — на самом деле один и тот же материал. Все началось с того, что авторы изучали систему вольфрам-бор, чтобы предсказать существование стабильной структуры высших боридов вольфрама, так как знали о ее загадке. Когда затем исследователям удалось синтезировать пентаборид, они выяснили, что его дифракционная картина очень хорошо соответствовала теоретическим предсказаниям за исключением нескольких слабых пиков, которые были в теории, но не в эксперименте.

Исследователи синтезировали новый материал, изучили его свойства и обнаружили неожиданную связь двух соединений: кристаллическая структура высшего борида вольфрама оказалась напоминающей структуру WB₅ с небольшой неупорядоченностью и нестехиометрией. Поэтому новое соединение обозначили не как WB₄, а как WB_5-x. Его кристаллическую структуру удалось предсказать, используя эволюционный алгоритм USPEX, который ранее создали исследователи Сколтеха.

«Нам удалось полностью разгадать тайну тетраборида вольфрама. Теперь мы имеем детальное описание этого материала и его структуры, знаем весь диапазон химических составов, который он может иметь, и его свойства. Впереди у теоретиков другие интересные загадки», — подвел итог Оганов.