Зображення: PHYSICAL REVIEW B
Фізики змоделювали на комп'ютері матеріал, точка плавлення якого вище, ніж у всіх відомих науці речовин. Про своєму дослідженні вони розповіли на сторінках журналу Physical Review B, пише Lenta.ru.
Матеріал, де в певній пропорції будуть змішані гафній, азот і вуглець, буде плавитися тільки при температурі, що перевищує 4400 Кельвіна (4127 градусів за Цельсієм). Це приблизно дві третини від температури на поверхні Сонця і на 200 градусів вище, ніж показали реальні експерименти з іншими матеріалами.
Попередній рекордсмен являє собою сплав гафнію, танталу і вуглецю (Hf-Ta-C). Нову речовину тільки доведеться синтезувати – щоб упевнитися в істинності комп'ютерної моделі.
Дослідники зробили своє відкриття, моделюючи фізичні процеси на рівні окремих атомів. В рамках цього підходу динаміка плавлення досліджується в наномерних масштабах – з групами з приблизно сотні атомів.
Аксель ван дер Валле (Axel van de Walle) з Університету Брауна і його колеги почали з аналізу сплав Hf-Ta-C, властивості якого вже були відомі. Комп'ютерне моделювання допомогло прояснити конкретні чинники, що додають матеріалу рекордну теплостійкість.
З'ясувалося, що в Hf-Ta-C висока теплота плавлення (енергія, яка поглинається при переході з твердого в рідкий стан) поєднується з невеликою різницею між значеннями ентропії в цих двох фазах. "Танути матеріали змушує ентропія, накопичена в процесі фазового переходу. Якщо рівень ентропії в твердому стані вже великий, речовина таким чином стабілізується, а її температура плавлення – підвищується", – пояснює ванн дер Валле.
Потім учені почали пошук сполук, здатних максимально підсилити ці властивості сплаву. Виявилося, що з'єднання гафнію, азоту та вуглецю буде володіти майже такою ж високою теплотою плавлення і ще меншою різницею між рівнями ентропії в твердому і газоподібному стані. Розрахунки показали, що температура плавлення у нової речовини буде на 200 градусів вища, ніж у сплаву Hf-Ta-C.
Відкриття ванн дер Валле теоретично може лягти в основу нових матеріалів з поліпшеними характеристиками – починаючи від покриття для газотурбінних установок і закінчуючи теплозахисними фільтрами швидкісних літаків. Однак цінність самого сплаву далеко не очевидна. "Точка плавлення – це не єдина властивість, що має значення для практичного використання речовини. Потрібно врахувати механічні властивості, корозійну стійкість, інші особливості – і всі вони можуть знизити температуру плавлення. Втім, якщо відразу задати високу планку на цьому напрямку, у вчених з'являється більше свободи в коригуванні інших властивостей. Приблизно так я і уявляю собі хід подальшої роботи", – пояснює ван дер Валле.