Физики «закрыли» карбид технеция

Химические свойства элементов определяются положением внешних электронов, способных взаимодействовать с электронами других атомов. Схематическое представление орбиталей таких электронов. Источник: пресс-служба МФТИ

Международная группа ученых под руководством заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Артема Оганова доказала, что карбида технеция не существует — за него ошибочно принимался чистый технеций. Это открытие важно для химии карбидов переходных металлов — перспективных жаропрочных и твердых материалов.

К переходным металлам относят и хорошо изученные железо или медь, и радиоактивный технеций. Соединения переходных металлов с углеродом, карбиды, обычно представляют собой жаропрочные твердые вещества, причем соотношение углерода и металла в них может варьироваться. Какие карбиды можно синтезировать в принципе — важный вопрос, ответ на который волнует не только специалистов по машиностроению и химиков-технологов, но и теоретиков. Первым нужны прочные и жаростойкие покрытия для режущих инструментов, а вторых карбиды переходных металлов привлекают своей способностью выступать в роли химического катализатора, подобного дорогим платиновым металлам.

Универсального и простого способа предсказать существование тех или иных химических соединений до сих пор не существует, поэтому такое вещество, как карбид технеция ТсС, оказалось в числе спорных: одни исследователи утверждали, что смогли его синтезировать, другие сомневались в корректности опубликованных данных. Используя ранее разработанный алгоритм USPEX, группа ученых во главе с Артемом Огановым смоделировала целый ряд карбидов переходных металлов и убедительно показала, что карбид технеция получить невозможно.

Химические свойства элементов определяются положением внешних электронов, способных взаимодействовать с электронами других атомов. Схематическое представление орбиталей таких электронов. Источник: пресс-служба МФТИ


Для оценки устойчивости соединений с высоким содержанием углерода авторы статьи рассчитали энергию образования монокарбида. Некоторые эти значения были отрицательными, что означало, что формирование таких монокарбидов переходных металлов энергетически выгодно и они должны быть устойчивы. В число металлов, которые можно успешно соединить с углеродом, попали титан, ванадий, цирконий, ниобий, гафний и тантал.

У железа, хрома, магния и технеция энергия образования FeC, CrC, MnC и TcC оказалось положительна и, следовательно, эти монокарбиды неустойчивы. Кроме того, ученые показали, что в случае технеция энергия внедрения углерода в его кристаллическую решетку также больше нуля — проще говоря, этот процесс технически невыгоден. Получается, что существование ранее «обнаруженного» монокарбида технеция противоречит фундаментальным законам природы: на практике синтезировать можно только карбиды технеция с низким содержанием углерода. Такой результат моделирования прекрасно согласуется с результатами исследователей, получавших все эти соединения на практике.

Также физики смогли объяснить данные рентгенограмм, которые ранее предположительно доказывали существование монокарбида технеция. Они смоделировали рассеяние рентгеновских лучей на чистом технеции и увидели очень похожую картину. Видимо, ранее экспериментаторы принимали за монокарбид технеция просто чистый технеций.

«Химия карбидов переходных металлов местами противоречива: для одного и того же материала могут существовать статьи и о возможности, и о невозможности его существования. В этой работе удалось внести толику ясности в вопрос о причинах формирования этих соединений и сделать задел для будущих исследований и поисков новых карбидов, полезных для прикладных задач. К тому же порой вовремя «закрыть» материал, как например ТсС, важно для экономии сил и времени нынешних и будущих исследователей темы», — прокомментировал соавтор исследования и сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Олег Фея.

Статья ученых опубликована в журнале RSC Advances .

Разработанная Огановым программа USPEX широко применяется по всему миру для предсказания структуры материалов. С ее помощью были открыты новые магниты, лекарственные средства и вещества, способные существовать в экстремальных условиях.

Теги:

Читать еще на Чердаке: