В поисках идеального: как создаются сверхтвердые материалы для промышленности

Платина, родий, палладий, алмаз — все эти драгоценные материалы востребованы не только в качестве ювелирных изделий, но и в промышленности. Проблема только в том, что они достаточно дорогостоящие и могут нанести серьезный вред окружающей среде. Поэтому сегодня ученые работают над созданием новых, сверхтвердых материалов для разных отраслей.

Как их создают и в чем особенности подобных технологий, наука.рф рассказал профессор проектного центра по энергопереходу Сколковского института науки и технологий, доктор физико-математических наук Александр Квашнин.

 — Какими разработками вы занимаетесь? Как они используются в промышленности?

 — Когда я начал заниматься компьютерным поиском и предсказанием новых материалов, осознал, что для меня как ученого важно, чтобы все проводимые мной теоретические исследования — полученные и предсказанные модели новых материалов — потенциально могли где-то применяться.

Мой первый проект образовался с научно-техническим центром «Газпром нефти». Они планировали разработать новый материал для использования в бурении. Я должен был предсказать структуру этого компонента, более дешевого в производстве, чем алмаз, который сейчас используется, но при этом такого же твердого. Когда мы этот проект завершили, я начал изучать другие запросы на материалы в различных областях промышленности.

Поэтому сегодня работаю по нескольким направлениям. Первое — по-прежнему сверхтвердые материалы. В основном, их применяют для бурения, в износостойких инструментах, материалах для подшипников. А также тугоплавкие керамические покрытия, различные сплавы, включая многокомпонентные и высокоэнтропийные материалы и новые материалы для катализа.

 — Какой материал создали на замену алмазу? Как удалось его получить?

 — Он состоит из бора и вольфрама. С помощью методов компьютерного моделирования мы предсказали его кристаллическую структуру и свойства. Получился своего рода рецепт, с которым мы пошли к коллегам в Институт физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН. Они занимались экспериментом, мы проверяли результаты, что-то улучшали в модели. Так удалось получить образцы материала в лабораторных условиях.

Затем вместе с группой специалистов Томского политехнического университета (ТПУ), с которыми и сейчас работаем, оптимизировали и удешевили процесс синтеза этого борида вольфрама. Удалось это сделать благодаря уникальной установке безвакуумного электродугового синтеза, которую собирают в ТПУ. Она позволяет практически из любого сырья, содержащего бор и вольфрам, получать наш материал и при этом очень хорошо контролировать его качество, состав и другие параметры. Если на первых этапах за один синтез получался один грамм материала, то сейчас можем получать уже почти 50 грамм.

 — Насколько сложно его синтезировать?

 — Процесс синтеза выглядит не очень сложно. Наша задача была как раз максимально его упростить. Сам материал выглядит как черный порошок.

В качестве исходных материалов используются порошки вольфрама и бора. Они смешиваются с помощью планетарных мельниц (устройство для тонкого измельчения различных материалов — прим. ред.). После этого смесь погружают в графитовый тигель, в который также опускают графитовый электрод. После включения установки между электродом и дном тигля с порошком проскакивает искра — электрическая дуга. Возникает плазменный факел. И вот в этой плазме на протяжении буквально нескольких секунд синтезируется материал. Он также получается в виде порошка. Но это уже будет соединение бора и вольфрама в нужной нам пропорции, с необходимыми структурой и составом.

При этом не нужны ни высокие давления, ни инертная атмосфера или насосы для создания вакуума. Все довольно просто.

 — Такой материал востребован только в промышленности?

 — Изначально мы планировали его применять в буровых резцах, применяемых в бурении пород для добычи нефти и газа. Однако его нужно немного модифицировать и доработать. Мы планируем проводить еще ряд исследований, чтобы улучшить его свойства.

Альтернативой бурению является его использование в различных задачах для катализа. В частности, для получения водорода из CO2, либо получения метана. Эти исследования мы начали год назад. Проводить эксперименты в настоящее время помогают коллеги из Института катализа Сибирского отделения РАН.

 — Для чего нужны такие катализаторы?

 — Для ускорения протекания химических реакций в различных технологических процессах. Стоит сразу сказать, что в химических процессах происходит огромное число реакций. И под каждую можно подбирать свой катализатор, универсальный для всех найти практически невозможно.

Здесь можно привести пример с автомобилем. Перед непосредственно выходом выхлопной трубы в автомобиле расположен бочонок — это катализатор автомобиля. В нем есть керамическая ячеистая структура. На поверхности этих ячеек нанесены наночастицы разных металлов — родий, палладий, платина и другие. Когда выхлопные газы выходят из двигателя, они проходят через этот катализатор и, соответственно, вредный угарный газ преобразуется в диоксид углерода. Таким образом выхлопные газы становятся менее вредными.

Однако это драгоценные металлы. Замена такого катализатора в машине обычно дорого стоит. Поэтому мы хотим использовать наш материал как альтернативу таким металлам в автомобильных катализаторах. Если он будет действительно хотя бы сравнительно такой же эффективный, то это прямой шаг к тому, чтобы попытаться использовать его. Сама деталь автомобиля и его замена будет дешевле, а остальные процессы, связанные с этим — более экологичные.

 — Какие материалы сегодня наиболее перспективные?

 — К ним могу отнести высокоэнтропийные материалы. Допустим, в соединении хорошо известной каменной соли, в ее кристаллической решетке, чередуются атомы натрия и хлора. Если мы вместо атомов натрия будем хаотично вставлять атомы различных металлов — например, натрия, калия, магния — они будут равномерно перемешаны и расположены в симметрично одинаковых позициях, то это будет многокомпонентное соединение, с одной стороны. С другой это будет высокоэнтропийное соединение. Поскольку количество металлов увеличивает конфигурационную энтропию (рассеивание энергии — прим. ред.), что, в свою очередь, приводит к его стабилизации.

Эти материалы могут обладать довольно интересными свойствами. Например, присутствие определенного типа металлов в сплаве может неожиданно сильно увеличить температуру плавления, либо изменить механические свойства. Сейчас такими исследованиями я занимаюсь с коллегами из ТПУ, с которыми мы научились синтезировать высокоэнтропийные карбиды. Специалисты Сколтеха помогли внедрить искусственный интеллект, чтобы оптимизировать процесс синтеза.

—Какие задачи интересно было бы решить в ближайшем будущем?

 — Меня вдохновляли различные работы, так или иначе связанные с машинным обучением и ИИ. Хотя года три-четыре назад я не представлял, что буду этим вопросом заниматься. Но позже пришло осознание, что это именно то, что в будущем поможет эффективнее проводить наши исследования.

С экспериментальной точки зрения пока у нас плюс-минус все понятно. С точки зрения вычислений традиционным способом мы тоже многое умеем. А вот это направление для меня и моей группы еще не слишком хорошо изучено. Поэтому работа с объединением материаловедения и ИИ пока является неким ориентиром для нас.

Беседовала Анна Шиховец