Наука в деталях
Супертвёрдые и сверхпроводящие
Кто, как и зачем в Самарском политехе создаёт новые материалы
Научный коллектив Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Политеха под руководством заведующего кафедрой «Общая и неорганическая химия», доктора химических наук Владислава Блатова известен во всём мире. В его состав входят самые цитируемые в своей отрасли учёные, исследования которых – настоящее украшение и гордость отечественной науки. Рассказываем, как строится работа этого замечательного научного подразделения университета.
Прогнозируем
Старший научный сотрудник МНИЦТМ кандидат химических наук Ольга Блатова два года занимается теоретическим анализом структуры интерметаллидов – соединений двух или более металлов. Без этих сплавов, обладающих особой прочностью и твёрдостью, сегодня не обходится ни одна отрасль экономики. Один из таких интерметаллидов, спрогнозированный нашими учёными, кажется сейчас очень перспективным. Речь идёт о материале, состоящем из алюминия и ниобия. Он намного дешевле и надёжнее сплава алюминия и никеля, который используется в авиастроении, электронике, биомедицине.
– Каждое новое вещество химики подвергают рентгену, – поясняет Блатова. – Мы рассматриваем новый кристалл со всех сторон, чтобы узнать, как внутри него располагаются атомы, что представляет собой его структура.
Учёные изучают кристаллы, выращенные до «приличного» размера, как минимум до 0,1 мм. Потом исследователи описывают полученные результаты в научной статье, заносят их в специальную базу. В мире пользуются двумя крупнейшими хранилищами данных о веществах. Одна содержит сведения об органических соединениях – это Кембриджская база структурных данных, или CSD (Сambridge Structural Database), вторая аккумулирует информацию о неорганических – это Боннская база, или ICSD (Inorganic Crystal Structure Database). Вместе они объединяют сведения о более чем 1,2 миллиона соединений, и обнаружить в них конкретную структуру для создании нового материала – всё равно что найти иголку в стоге сена. Обработать весь этот массив и отсеять лишнее позволяет программа ToposPro (http://topospro.com), разработанная в 2014 году директором МНИЦТМ Владиславом Блатовым. Программный комплекс предназначен для многоцелевого кристаллохимического анализа структур соединений и работы с базами данных.
– Из десятков тысяч металлов по заданным критериям выбираем, допустим, сотню структур, – продолжает Ольга Блатова. – А дальше усердному магистранту не составит труда вручную вычленить из неё несколько позиций, представляющих интерес. После этого к процессу подключится специалист по физическому моделированию. Современный подход в науке таков, что учёные синтезируют только то, что перспективно, поскольку синтез – вещь очень сложная и дорогая. Поэтому следующий этап после поиска – теоретический расчёт свойств предполагаемого материала.
Моделируем
Анализом свойств прогнозируемых материалов в лаборатории математического моделирования МНИЦТМ занимается старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Артём Кабанов. В рамках проекта «Топологические методы дизайна кристаллических структур и направленный поиск новых супертвёрдых материалов», который с 2022 года реализует команда Владислава Блатова, он ведёт исследование аллотропных модификаций углерода.
– К углероду уже не одно десятилетие приковано очень много внимания, – отмечает Кабанов. – Этот элемент – основа жизни на Земле. Кроме того, он очень вариативен и способен создавать разнообразные химические связи. Когда мы говорим «углерод», то обычно подразумеваем графит либо алмаз. Но ведь у углерода намного больше форм, даже сажа в печной трубе – смесь разных углеродов.
Помимо того, что углерод – основа органической химии, популярности ему добавило открытие принципиально новых форм существования вещества – фуллеренов и двумерных материалов (в частности, фуллерен С60 и графен). Ещё одна аллотропная форма углерода – алмаз, самый твёрдый природный материал на планете, к тому же обладающий наиболее высокой теплопроводностью среди всех твёрдых тел. Кристаллическая структура алмаза была одной из первых расшифрованных методами рентгеноструктурного анализа в 1913 году.
Сегодня «накопилось» приблизительно 1,5-2 тысячи гипотетических углеродных аллотропов, предложенных различными учёными. Сведения о них содержатся в базе данных SACADA (Samara Carbon Allotrope Database, https://www.sacada.info), которая была создана в 2015 году и поддерживается сотрудниками МНИЦТМ.
– Сейчас мы ищем корреляцию между структурой кристаллического вещества и его свойствами, – говорит Артём Кабанов. – Аллотропы – достаточно простые системы, в состав которых входит только углерод, поэтому хорошо подходят для поиска корреляций. Если мы установим такую взаимосвязь «структура – свойство», то сможем прогнозировать характеристики вещества на основании структурных данных, без проведения каких-либо расчетов или экспериментов, а это, в свою очередь, значительно ускорит поиски новых материалов с требуемыми свойствами.
На примере аллотропов углерода команда химиков университета уже выявила некоторые закономерности. Например, есть хорошая корреляция между плотностью аллотропов и их механическими свойствами – модулем объёмного сжатия, модулем Юнга и модулем сдвига.
В 1986 году швейцарец Карл Мюллер и немец Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных, и были удостоены за это Нобелевской премии. Однако в СССР такие керамики создали раньше на целое десятилетие. Учёные Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН) получили новое вещество, но не догадались проверить его проводимость и … положили на полку. В то время теоретический расчёт свойств не проводили, но именно он сделал бы отечественных химиков нобелеатами.
Ещё один проект Артёма Кабанова, связанный с теоретическим анализом свойств, – поиск новых материалов для металл-ионных аккумуляторов. Команда учёных Политеха занимается этой работой с 2019 года в рамках гранта Российского научного фонда.
Ключевой элемент металл-ионных аккумуляторов – кристаллический суперионный проводник, по сути это вещество с высокой ионной проводимостью. В существующих литий-ионных аккумуляторах применяются суперионные проводники, в состав которых входят дорогие или токсичные элементы. Поэтому актуальна задача поиска новых недорогих и экологичных материалов с высокой ионной проводимостью.
Кроме того, промышленности необходимы более дешёвые и высокоёмкие типы аккумуляторов, которые позволят вывести на новый уровень рынок электротранспорта и электроники.
Для решения этих задач сотрудники МНИЦТМ разрабатывают специальные алгоритмы и проводят высокопроизводительный компьютерный скрининг баз данных с целью поиска новых кристаллических ионных проводников, отвечающих современным требованиям. Результаты работы отражены в научных статьях и созданной базе данных Battery Materials (https://batterymaterials.info/).
Анализ взаимосвязи «структура – свойство» для суперионных проводников также принёс свои плоды: установлена корреляция между размерами свободного кристаллического пространства и величиной энергии активации диффузии. Такая корреляция позволяет прогнозировать физические свойства (энергию активации диффузии) кристалла без проведения сложных расчётов.
Самый простой из фуллеренов содержит 60 атомов углерода и напоминает по структуре футбольный мяч: поверхность молекулы образуют чередующиеся пяти- и шестиугольные грани, при этом размер самого «мяча» составляет всего 1 нанометр.
Синтезируем
Если без металлов и сплавов не построить ни машину, ни самолёт, ни теплоход, то сделать их ещё более долговечными можно при помощи материалов с улучшенными характеристиками, то есть более коррозионностойких, лёгких, твёрдых и дешёвых. На эту роль как нельзя лучше подходят интерметаллиды и высокоэнтропийные сплавы, синтезом которых занимается старший научный сотрудник МНИЦТМ, кандидат химических наук Екатерина Егорова.
– Это интересные и перспективные материалы, – рассказывает она. – Химическое соединение двух, трёх, а в случае высокоэнтропийных сплавов, не менее пяти металлов, придаёт новым материалам новые, уникальные свойства. Мы работаем с такими элементами, как железо, кобальт, никель, хром, марганец, алюминий, а также с редкими и рассеянными элементами – цирконием, гафнием, танталом. Сейчас нам удалось синтезировать новую кристаллическую структуру, которая состоит из алюминия и ниобия. Определяем характеристики её кристаллической решётки, оцениваем механические свойства этого нового материала – прочность, упругость, жаростойкость.
Работа ведётся в двух направлениях. В первом случае материал можно применять в качестве легирующей добавки и, в зависимости от дополнения другими компонентами, изучать, как меняются свойства интерметаллида. Второе направление – получение высокоэнтропийных сплавов и исследование их функциональных и конструкционных свойств. Установлено, что именно при содержании в равных долях пяти компонентов в таких сплавах формируется однофазный твёрдый раствор с наличием в кристаллической решётке атомов разного размера и электронного строения, что приводит к значительному упрочнению материала.
Новый материал – хорошая альтернатива соединениям на основе алюминия и никеля. Его можно будет использовать в турбинных двигателях, что даст большую экономию топлива, повысит температуру сгорания и увеличит мощность силового агрегата. Материал также перспективен для электроники, где необходимы отечественные сверхпроводники, и для биомедицины, в которой применяются так называемые материалы с эффектом памяти формы. Из них изготавливают каркасы, необходимые, например, для коррекции деформации грудной клетки.