俄罗斯@“超硬糖果”复杂晶体结构被破解了
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硼化钼晶体（MoB5-x）中的原子排列情况 。
《物理化学快报》杂志报道 ， 受俄罗斯科学基金会（RSF）资助 ， 研究人员在寻找新型超硬化合物的过程中 ， 对稳定的硼化钼晶体结构进行了预测 。 他们发现 ， 在“最高硼化钼”（HMoB）中 ， 每一个钼原子对应4~5个硼原子 。 MoB5的维氏硬度预计可达37~39GPa 。
此前 ， 俄罗斯斯科尔科沃理工学院（Skoltech）和莫斯科技术物理学院（MIPT）的Artem Oganov教授领导的团队曾在《应用物理学杂志》中发布了一份超硬材料的“宝藏清单”——这份清单是依据进化算法（USPEX）和新维氏硬度模型开发的 。
过渡金属硼化物是传统硬质合金和超硬材料的潜在替代品 。 与广泛使用的金刚石和立方氮化硼不同 ， 过渡金属硼化物的合成过程不涉及高压条件 ， 生产成本更低 。 因此 ， 由MIPT ， Skoltech和中国西北工业大学等组成的国际研究小组 ， 决定对Oganov教授团队“清单”中的硼化钼展开研究 。
受电子互斥作用影响 ， 金属原子的高价电子密度能抵抗压缩作用 ， 而共价硼-硼键和硼-金属键能抵抗弹性和塑性形变 。 论文作者、MIPT和Skoltech高级研究员Alexander Kvashnin解释说：“为了验证预测结构与实验结果是否一致 ， 我们通常需要对比X射线衍射（XRD）谱图的模拟峰与实验峰 。 然而 ， 对硼化钼而言 ， XRD谱图中只会显示重原子信号 ， 而较轻的硼原子的位置基本上是不可见的 。 这就是仅基于实验数据建立的晶体结构模型超越现实和不稳定的原因 。 因此 ， 我们需要使用包含最先进理论计算方法在内的综合性方法来确定晶体结构 。 ”
研究人员在实验中发现 ， 虽然MoB5的硼含量最高 ， 但XRD谱图的模拟峰与实验峰并不完全一致 。 这说明样品的对称性被低估了 。 新化合物的关键结构元素是硼原子在类石墨烯层、钼层和硼原子三角中的排列情况 。 硼原子和钼原子排列成交替层 ， 部分钼原子被B3三角取代 ， 均匀分布在整个晶体结构中 。
论文第一作者、研究人员Dmitry Rybkovskiy说：“我们假设HMoB的结构是无序的 ， 硼三角在统计学意义上取代了钼原子 。 为了验证这个假设 ， 我们又开发了一种晶格模型 ， 使我们能够在自定义规则下 ， 确定硼单元在最低能量下的位置 。 ”最终 ， 研究人员发现 ， MoB4.7的稳定性最好 ， XRD谱图的模拟峰与实验峰也最匹配 。
Oganov总结说：“这项研究是理论与实验相互促进的有趣实例——理论预测了一种具有特殊性质的新结构化合物 ， 而实验结果表明样品更复杂 ， 且结构是无序的 。 从这个实例中 ， 我们认识到 ， 研究人员必须重视所有的实验结果 ， 并了解样品的确切组成与结构 。 这样才能充分发掘它的性能 。 ”
超硬材料在机床制造、珠宝加工和矿产开采等方面均有重要应用价值 。 研究人员的新型超硬化合物开发之路还非常漫长 。
原创编译：雷鑫宇 审稿：阿淼 责编：唐林芳
期刊来源：《物理化学快报》
期刊编号：1948-7185
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/miop-sc-042820.php
https://mipt.ru/english/news/hard_science_scientists_calculated_crystal_structure_of_superhard_molybdenum_borides
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