Предсказан новый рекордсмен тугоплавкости

Фрагмент карты электронной плотности в структуре карбида гафния

Изображение: Qi-Jun Hong et al. / PRB, 2015

Химики из Университета Брауна (Провиденс) теоретически предсказали существование фазы смешанного карбида-нитрида гафния с рекордно высокой температурой плавления — свыше 4400 кельвинов. Об этом сообщает пресс-релиз университета, работа опубликована в журнале Physical Review B.

Для поиска соединения-рекордсмена авторы работы использовали методы компьютерного моделирования, позволяющие следить за динамикой атомов кристаллической решетки в процессе плавления. Программа моделировала фрагмент решетки соединения, содержащий около ста атомов. В качестве модельной рассматривалась система, содержащая карбиды и нитриды тантала и гафния.

Выбор данной системы авторы объясняют тремя основными факторами, влияющими на величину температуры плавления, выявленными в ходе исследования. Это, во-первых, наличие сильных ковалентных и ионных связей внутри соединения, во-вторых, наличие определенных дефектов в материале, которые могут существовать как в твердой, так и жидкой фазе — например, вакансии (отсутствие атомов) в решетке. За счет того, что такие системы еще в твердом виде менее упорядочены, их плавление дает меньший энтропийный выигрыш, что повышает температуру фазового перехода. Третьим фактором, влияющим на температуру плавления, является положение уровня Ферми в системе.

Оказалось, что добавление атомов азота в структуру исходных «рекордсменов» — карбидов тантала и гафния — способно увеличить энтропию твердого соединения и за счет этого получить выигрыш в температуре плавления. Обладателем максимальной температуры плавления, согласно моделированию, стала фаза HfN0.38C0.51, плавящаяся при примерно 4400 кельвинах. Эта температура всего на полторы тысячи градусов меньше, чем температура поверхности Солнца.

На данный момент авторы обсуждают с материаловедами возможности синтеза и использования гипотетического вещества. Несмотря на высокую температуру плавления, для применения материала в различных сферах необходимо изучить также его стойкость к коррозии и многие другие особенности. 

Температурой плавления выше четырех тысяч кельвинов обладают немногие соединения, из бинарных самыми характерными являются карбиды гафния(4160-4163 кельвина) и тантала (4153 кельвина). Современным рекордсменом температуры плавления является карбид тантала-гафния Ta4HfC5, плавящийся при 4215 кельвинах.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.