Международная группа ученых под руководством заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Артёма 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.
Химические свойства элементов определяются положением внешних электронов,
способных взаимодействовать с электронами других атомов.
Схематическое представление орбиталей таких электронов.
Источник: пресс-служба МФТИ
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, причём 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 учёных во главе с Артемом Огановым смоделировала целый ряд карбидов переходных металлов и убедительно показала, что карбид технеция получить невозможно.
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 металов 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 существования монокарбида технеция. Они смоделировали рассеяние рентгеновских лучшей 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.
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.
Источник: chrdk.ru
