Новости

27 июля, 2023 12:40

Висмут собирается в тройки. Квазистабильные цепочки атомов сделали расплав более структурированным

Источник: Коммерсант

Ученые доказали существование в жидком висмуте квазистабильных структур — короткоживущих цепочек атомов, которые делают материал более структурированным на атомарном уровне, чем обычные жидкости. От строения и расположения этих цепочек зависит то, как происходит процесс затвердевания висмута, а потому и свойства получаемого твердого материала. Понимание структуры расплава висмута имеет большую практическую значимость при изготовлении на его основе деталей и устройств в медицине, электронике, энергетике, а также в автомобиле- и станкостроении. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Источник: 500 px / Getty Images

Висмут представляет собой металл серебристого цвета, который широко используется в электронике в качестве компонента печатных плат, а также в ядерной энергетике для производства детекторов радиационного излучения. При этом любые детали на основе этого элемента создаются посредством литья на основе расплава, который способен затвердевать и превращаться в кристалл при температурах ниже 270°С.

Ученые из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) совместно с коллегами из Удмуртского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН (Ижевск) исследовали структурные особенности жидкого висмута с помощью рентгеноструктурного анализа. В рамках такого подхода через образец пропускают рентгеновское излучение и по тому, как оно рассеивается материалом, получают информацию о структуре этого образца.

В результате авторы обнаружили, что структура жидкого висмута отличается от структуры большинства других жидкостей, включая металлические расплавы. Так, в жидком висмуте были обнаружены короткоживущие кластеры атомов, которые представляют собой разветвленные цепочки, образуемые триплетами — тройками атомов. Такие «тройки»-триплеты характеризуются правильной геометрией и имеют вид равнобедренного треугольника, тогда как структуры более высокого уровня — цепочки — из-за теплового движения атомов в жидкости постоянно (с частотой чуть более триллионных долей секунды) перегруппировываются и меняют свою форму.

Образец висмута, его фазовая диаграмма с изображением жидкого состояния и различных кристаллических решеток твердого состояния. Источник: Galimzyanov et al. / Scripta Materialia, 2023



«Наши эксперименты подтвердили, что жидкий висмут кардинально отличается от других жидкостей наличием квазистабильных структур, в формирование которых может вовлекаться до 50% всех атомов. Понимание физики промышленно важных расплавов, таких как расплав висмута, позволит создавать сплавы с улучшенными свойствами, например прочностью. Кроме того, это поможет подбирать оптимальные скорости нагрева и закалки, что важно при изготовлении деталей со строго требуемыми характеристиками. В дальнейшем мы планируем развить полученные результаты для жидкой сурьмы и жидкого мышьяка, где также предполагается существование квазистабильных структур»,— рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Булат Галимзянов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов КФУ.

Другой важный результат данной исследовательской работы заключается в том, что ее авторы применили оригинальный метод «расшифровки» экспериментальных данных рентгеноструктурного анализа жидкостей.

«Рентгеноструктурный анализ давно и широко используется для определения структуры кристаллических твердых тел. Тем не менее в случае жидкостей и расплавов он дает лишь усредненную информацию, в связи с чем возникает задача корректной интерпретации, “расшифровки” экспериментальных данных. Наша научная группа разработала оригинальный метод, в соответствии с которым рентгеноструктурный анализ сопровождается квантово-механическими молекулярно-динамическими расчетами. Этот метод показал свою высокую эффективность при решении задачи о структуре расплава висмута»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анатолий Мокшин, доктор физико-математических наук, профессор кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов КФУ.

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

4 февраля, 2025
Как получить наноалмазы и металл-углеродные наночастицы в плазме: Решение подскажет математическая модель
Ученые создали математическую модель, которая определяет идеальные условия для плазменного синтеза...
29 января, 2025
Ученые Сколтеха исследовали новую платформу для интегральной полностью оптической логики
Исследовательская группа из Сколтеха и Университета ИТМО под руководством директора Центра фотоники ...