Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» совместно с коллегами из Университетов Байрота и Мюнстера (Германия), Чикагского Университета (США), и Линчёпинга (Швеция) создали материалы-нитриды, получить которые ранее считалось невозможным, и показали, что это позволяет сделать весьма простой способ прямого синтеза. Статьи об революционном исследовании опубликованы в Nature Communications и Angew Chem IntEd.

Нитриды активно используют в сверхтвердых покрытиях и электронике. Обычно содержание азота в этих материалах не высоко, а превысить его по сравнению с содержанием переходного металла – затруднительно (поскольку азотные связи слишком высокоэнергетические).

Особенно этим отличались соединения рения и железа, которые выбрали для опытов авторы исследования. Они решили вывести синтез из обычных земных условий в условия сверхвысоких давлений.

«Такой способ – один из наиболее перспективных путей создания качественно новых материалов, открывающий фантастические возможности. Есть известные примеры: искусственный алмаз, кубический нитрид Бора", – комментирует руководитель Лаборатории моделирования и разработки новых материалов НИТУ МИСиС, профессор Игорь Абрикосов. – "Но они существовали в природной форме. А вот идея сознательно создать невозможные в природе материалы – наше ноу-хау».

 

Рисунок 1. Кристаллические структуры соединений железа и азота. Оранжевые и голубые шарики соответствуют положению атомов Fe и N. a) Fe3N2 при давлении в 50 ГПа. Структура представляет собой четырёхсторонние тригональные призмы NFe7, соединенные по тригональным граням и ребрам. b) FeN при давлении в 50 ГПа со структурным типом NiAs. c) FeN2 при давлении в 58 ГПа; На рисунке показаны октаэдры FeN6, соединенные в бесконечные цепочки по общим граням и выровненные вдоль с-оси. Цепочки соединены между собой по общим вершинам. Дополнительная связь между октаэдрами FeN6 обеспечивается через цепочки N-N. d) FeN4 под давлением в 135 ГПа. В структуре FeN4 каждый атом Fe – часть двух неплоских пятичленных Fe[N4] металлациклов, которые практически параллельны (1-10) плоскости решетки. Атомы азота формируют бесконечные зигзагообразные цепочки вдоль с-оси.

По его словам, эксперименты почти сразу дали результат. Азот с переходным металлом просто помещается в алмазную наковальню, и при высоких давлениях проводится прямой синтез (без прекурсоров).

«Нитрид рения показывает свойство низкой сжимаемости, потенциально имеет очень высокие механические характеристики и свойство сверхтвердости – это важно, например, для улучшения качества режущих инструментов», – рассказывает Игорь Абрикосов.

По его словам, далее ученые прояснят, являются ли материалы сверхпроводниками или магнитами, пригодны ли для спинтроники.

. Фрагменты кристаллической структуры FeN4 при давлении в 135 ГПа. a) Фрагмент кристаллической структуры, параллельной (1-10) плоскости решетки, демонстрирующий полимерные зигзагообразные цепочки N-N. b) Тот же самый фрагмент с другого ракурса. c) Фрагмент кристаллической структуры, демонстрирующий координационную геометрию атомов азота. d) Карта плотности заряда с зигзагообразными цепочками N-N в структуре FeN4. e) Схема poly[tetraz-1-ene-1,4-diyl] anion. f) Схема координации атомов железа poly[tetraz-1-ene-1,4-diyl] anions.

Их обратный вывод в земные условия требует более серьезных экспериментальных установок, работа над которыми уже ведется и, вероятно, даст плоды в течение года.

Он также считает, что если коллектив докажет предполагаемую сверхтвердость – уже в течении 5 лет мы увидим «невозможные» материалы в коммерческом поле.

https://zen.yandex.ru/media/fu...