Используя мощные компьютерные модели, исследователи из Университета Брауна определили материал с температурой плавления выше, чем у любого из известных веществ. Расчеты показывают, что материал, изготовленный из гафния, азота и углерода будет иметь температуру плавления более чем 4400 К. Это примерно две трети от температуры на поверхности Солнца и на 200 К выше, чем самая высокая точка плавления из когда-либо зарегистрированных в ходе эксперимента.

Раньше было экспериментально подтверждено, что рекордной температурой плавления обладает вещество из элементов гафния, тантала, и углерода (HF-Та-C).Расчеты, представленные в журнале Physical Review B, показали, что материал, изготовленный с определенным составом из гафния, азота и углерода (HF-N-C) будет иметь температуру плавления более 4400 К, что на 200 К выше, чем экспериментальный результат. Проведенные расчеты показывают, что оптимальный состав материала из гафния, азота и углерода - HfN0.38C0.51. Следующим шагом исследователей станет синтез материала для подтверждения выводов лаборатории.

"Преимуществом вычислительного подхода является то, что можно с небольшими затратами посмотреть много различных комбинаций и найти те, которые стоят эксперимента в лаборатории," - сказал Аксель ван де Валле, соавтор исследования.

Исследователи использовали вычислительный метод, при котором температура плавления рассчитывается путем моделирования физических процессов на атомном уровне, следуя закону квантовой механики. Динамика плавления изучается на наноуровне, в блоках около 100 атомов. Исследователи начали с анализа материала HF-Та-C, для которого точка плавления уже определена экспериментально. Моделирование смогло прояснить некоторые из факторов, которые вносят вклад в способность материала выдерживать тепло.

Работа показала, что в HF-Та-С сочетается высокая теплота плавления (энергия выделяется или поглощается, когда он переходит из твердого состояния в жидкое) с небольшой разницей между энтропией твердой и жидкой фаз.

Затем исследователи использовали эти выводы для поиска соединений, которые могут максимально соответствовать таким требованиям. Они обнаружили, что соединение гафния, азота и углерода будет иметь аналогичную высокую температуру плавления, но меньшую разницу между энтропией твердого вещества и жидкости. Когда они рассчитали точку плавления, она получилась на 200 К выше, чем получена в эксперименте для HF-Та-C.

 

Температуры плавления Та-HF-C-N сплавов. Закрашенные кружки обозначают рассчитанные температуры плавления в системах HF-C и Hf-C-N, а незакрашенные кружки показывают данные для системы Та-HF-C для сравнения.

 

Работа в конечном итоге может указать на новые высококачественные материалы для различных применений, от покрытий для газовых турбин до деталей высокоскоростных самолетов. Станет или нет этим новым материалом HfN0.38C0.51 пока не ясно, говорят исследователи.

 Источник: Prediction of the material with highest known melting point from ab initio molecular dynamics calculations.Qi-Jun Hong and Axel van de Walle // Phys. Rev. B 92, 020104(R) – Published 20 July 2015. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.92.020104.

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта