2019-09-05 19:31:01
意外的新材料已经淬火到环境压力

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来自德国和瑞典的国家科技大学MISIS的科学家们获得了一个似乎不可能的结果。研究人员设法在超高压下创造了一种即使在正常大气压下也能保持其结构和性能的新材料。而且,事实证明它可以通过复杂的化学反应在更“平凡”的实验室条件下重建。实验结果及其理论解释在Nature Communications中有所介绍。

多年来,来自NUST MISIS,拜罗伊特大学(德国)和林雪平大学(瑞典)的国际科学家团队一直致力于研究超高压下过渡金属碳化物和氮化物的新型超硬改性。这些金属具有高硬度和高熔点,因此它们用于生产耐热合金,切削工具,高温传感器和耐酸和耐碱的保护涂层。创建更先进的超硬修改将使这些材料的使用达到一个全新的水平。

早期的实验证明了能够对地球条件“不可能”的过渡金属氮化物进行修改,但这些修改在压力下降时“解体”。暴露于超高压的下一种金属是铼。这被证明是一个突破:在这种压力下改性的材料在传统的“室内”条件下保持了其新的结构和性能。

在某种程度上,这种研究的复杂性可以与高尔夫球比赛进行比较,其中球洞位于陡峭的山坡上,人们不仅需要下沉球,还需要将球保持在内部。

在实验过程中,将铼和氮置于金刚石砧中。然后用激光将砧座同时压缩加热至超过2000开尔文(> 1700℃)。结果,在40至90GPa(400至90万地球大气压)的压力下,获得了特殊的单晶结构,即铼氮化物和两个氮原子(氮化铼氮化物)。

“铼几乎是不可压缩的,因为它的体积模量约为400 GPa。改性后,它增加到428 GPa。相比之下,金刚石的体积模量为441 GPa。而且,由于氮成分,硬度为铼氮化物增加4倍,达到37 GPa。通常,在超高压下获得的材料在从金刚石砧中提取后无法保持其性能,但这次我们的同事们惊喜不已。当然,这个结果需要解释,所以我们模拟了这个过程理论结果证实了实验数据,并对新材料的不寻常特性及其合成的可能性进行了解释和解释,不仅在极端情况下,而且在正常的地球条件下,“Igor Abrikosov,教授,科学顾问NUST“MISIS”材料建模与开发实验室,物理,化学与生物学系理论物理系主任,林雪平大学解释道。

实际上,重要的是要理解钻石砧只能用于实验,因为它非常小,复杂且昂贵。这就是为什么科学家决定开发一种技术,可以在更“平凡”的条件下重新创造这种新的修改。了解了在超高压下材料中发生的过程,科学家们能够在33 GPa的大容量压机中计算并与叠氮化铵进行化学反应。既然在理论上和实验上证明了这种修改的存在,可以测试获得它的其他方法,例如,薄膜的沉积。

以前,科学家们已经证明,人们可以对氧化铍,二氧化硅和一些氮化物进行“禁止”修改,并将绝缘赤铁矿转化为导体。所有这一切都发生在比大气压力高几十万(有时甚至几百万)倍的压力下。

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