Синтез при высоком давлении новых соединений кальция с 3d-металлами и изучение их электронных, магнитных и водород-сорбционных свойств

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-22-00806

НазваниеСинтез при высоком давлении новых соединений кальция с 3d-металлами и изучение их электронных, магнитных и водород-сорбционных свойств

Руководитель Магницкая Мария Викторовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые слова интерметаллиды, сплавы, гидриды, магнитные свойства, сверхтонкие взаимодействия, высокие давления, ядерно-физические методы, хранение водорода

Код ГРНТИ29.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Поиск новых функциональных материалов, в частности, представляющих интерес для водородной энергетики, является сегодня одной из наиболее актуальных задач на стыке физики твердого тела и материаловедения. Большую роль в таком поиске играет метод получения новых соединений, который во многом определяет их свойства и соответственно, возможные приложения. В Проекте предлагается создание ранее неизвестных соединений кальция с 3d-металлами группы железа с помощью синтеза при высоких давлениях и температурах, близких к существующим в мантии Земли. Первоначальным стимулом к изучению данных систем стало предположение об их образовании в мантии Земли и схожих с ней планет. Теоретическую основу для такого предположения дают расчеты изменения химической связи при больших сжатиях: высокое давление существенно изменяет межатомные расстояния и симметрию электронных орбиталей, а следовательно, и реакционную способность элементов. Тем самым создаются условия для образования экзотических соединений, которые при нормальном давлении не образуются, но могут оставаться метастабильными. Эти исследования связаны также с тематикой строения и химического состава земного ядра, с построением его тепловых, магнитных и динамических моделей. Тот факт, что плотность соединений Ca–3d металл примерно на 30% меньше плотности чистого железа, имеет прямое отношение к известной проблеме пониженной плотности земного ядра по сравнению с плотностью Fe. Указанные интерметаллиды содержат много кальция, хорошо поглощающего водород, и не содержат дорогие редкоземельные элементы. Это позволяет рассматривать их как возможную основу для создания в перспективе новых экономичных аккумуляторов водорода. С другой стороны, изучение гидридов железа и железосодержащих соединений, стабильных при высоких давлениях, также может пролить свет на геофизическую проблему низкой плотности земного ядра. В рамках Проекта планируется синтезировать бинарные и псевдобинарные соединения состава Ca[M(1–x)M(x)]2 (где M = Fe, Co, Ni), кристаллизующиеся в топологически плотных структурах фаз Лавеса. Эти вещества представляют собой малоисследованный класс материалов — легкие высокотемпературные 3d-магнетики с высокой намагниченностью, сильно разбавленные немагнитным щелочноземельным элементом. С целью исследования возникновения и эволюции магнитного момента на 3d-атомах в зависимости от концентрации Ca, запланировано систематическое изучение эффекта замещения кальция трехвалентными немагнитными элементами (в частности, La). В Проекте предполагается также изучить способность вновь синтезируемых соединений поглощать изотопы водорода. Будет исследована возможность создания новых металлических гидридов и дейтеридов. С этой целью планируется разработка методики гидрирования под квазигидростатическим давлением. Свойства возникающих фаз высокого давления (ФВД) будут исследоваться при нормальном и высоком давлении и при температурах от низких до комнатных. Трудоемкость, сложность аппаратуры и, как следствие, высокая стоимость экспериментов при высоких давлениях предъявляют особые требования к точности определения структуры, состава и физико-химических свойств получаемых ФВД. Помимо рентгеноструктурного анализа, запланировано применение метода нейтронной дифракции, который позволяют надежно характеризовать атомно-кристаллическое строение и магнитное упорядочение создаваемых материалов, в том числе водородосодержащих. Детали кристаллической, электронной и магнитной структуры вновь синтезируемых ФВД будут изучаться путем измерения различных сверхтонких взаимодействий ядерно-физическими методами (метод возмущенных угловых корреляций, эффект Мёссбауэра, электрон-позитронная аннигиляция) с использованием цифровой электроники. В Проекте будет применяться методика синтеза в камере типа «Тороид», ранее разработанная в коллективе и позволяющая получать образцы большого объема при давлениях до 8 ГПа. Именно такие объемные образцы необходимы для исследований с использованием рассеяния нейтронов. Согласно нашим предварительным оценкам, для синтеза составов с высоким содержанием железа (например, CaFe2) требуются существенно более высокие давления. Поэтому в Проекте будет развиваться новая методика синтеза в многопуансонном аппарате, что позволит повысить рабочее давление до 20 ГПа, также в большом реакционном объеме. Для экспериментов при еще более высоких давлениях будет применяться техника алмазных наковален. Важной частью Проекта являются высокопроизводительные компьютерные расчеты «из первых принципов», которые выполняются независимо от эксперимента, т.е. без использования экспериментальной информации. Это позволит проверить надежность и оценить точность проводимых измерений, просчитать возможные варианты микроскопической структуры и состава исследуемых систем и, в конечном итоге, значительно сократить необходимое количество дорогостоящих поисковых экспериментов. Для предсказания свойств изучаемых соединений будут применяться теория функционала плотности, генетический алгоритм, имитирующий биологическую эволюцию, а также новые для коллектива методы машинного обучения, переживающие сегодня взрывообразное развитие. Расчеты будут проводиться параллельно с экспериментами, их результаты будут сопоставлены с экспериментальными данными. Вычисленные характеристики будут сравниваться как с данными нейтронных экспериментов (параметры структуры, магнитные свойства), так и с результатами измерения сверхтонких взаимодействий (магнитное сверхтонкое поле, мёссбауэровский изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление и градиент электрического поля). Анализ, систематизация, обобщение и интерпретация полученных результатов будут проводиться совместно теоретиками и экспериментаторами, участвующими в Проекте. Полученный в ходе реализации Проекта опыт создания новых материалов с прогнозируемыми свойствами, несомненно, будет полезным для физики твердого тела, геофизики, материаловедения и водородной энергетики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Боков А.В., Магницкая М.В., Саламатин Д.А., Крылов В.И., Цвященко А.В. Исследование сверхтонких взаимодействий в синтезированных при высоком давлении соединениях (Fe_({1-x}Ni_x)_2 (0<=x<=1) методом мессбауэровской спектроскопии Журнал экспериментальной и теоретической физики (Journal of Experimental and Theoretical Physics), т. 163, в. 3, с. 350-356 (2023) (год публикации - 2022)
10.31857/S0044451023030069

2. Магницкая М.В., Боков А.В., Саламатин Д.А., Щелкачев Н.М., Крылов В.И., Цвященко А.В. Hyperfine interactions in high-pressure-synthesized compounds of 3d-metals with rare-earth and alkaline-earth elements VIII Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism», Zavoisky Physical-Technical Institute FRC Kazan SC RAS, Kazan, т. II, c. 93-94 (год публикации - 2022)

3. Каракозов А.Е., Магницкая М.В. Gap structure of multiband superconductors with a spin-fluctuation interaction VIII Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism», Zavoisky Physical-Technical Institute FRC Kazan SC RAS, Kazan, т. II, c. 162–163 (год публикации - 2022)

4. Боков А.В., Саламатин Д.А., Магницкая М.В., Крылов В.И., Цвященко А.В. Magnetic hyperfine field studies in the cubic Laves phases Y(Fe1-xNix)2 synthesized under high pressure IX International Conference "Solidification: Computer Simulation, Experiments and Technology", Izhevsk, UdmFRC UB RAS Publ., c. 44-45 (год публикации - 2022)

5. Магницкая М.В., Щелкачев Н.М., Камаева Л.В., Цвященко А.В. Computational prediction of the electronic, thermodynamic and kinetic properties of new materials synthesized under high pressure Сборник научных трудов XII Международной научной конференции "Химическая термодинамика и кинетика", c. 22-23 (год публикации - 2022)
10.34680/978-5-89896-814-4/2022.thermodynamics

6. Магницкая М.В., Боков А.В., Саламатин Д.А., Щелкачев Н.М., Цвященко А.В. Исследование синтезированных под давлением соединений 3d-металлов с редкоземельными и щелочноземельными элементами ХII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», ИФТТ РАН, Черноголовка, с. 57 (год публикации - 2022)
10.26201/ISSP.2022/FPPK.055

7. Каракозов A.E., Магницкая М.В. Основные свойства трехзонных ферропниктидов в окрестности антиферромагнитного (AFM) перехода ХII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», ИФТТ РАН, Черноголовка, с. 56 (год публикации - 2022)
10.26201/ISSP.2022/FPPK.054

Публикации

1. Щелкачев Н.М., Рыльцев Р.Е., Магницкая М.В., Горбунов С.М., Чередниченко К.А., Соложенко В.Л., Бражкин В.В. Local structure, thermodynamics, and melting of boron phosphide at high pressures by deep learning-driven ab initio simulations Journal of Chemical Physics, том 159, выпуск 6, страницы 064507-1 - 064507-12 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0165948

2. Магницкая М.В., Боков А.В., Саламатин Д.А., Щелкачев Н.М., Цвященко А.В. Исследование соединений 3d-металлов с ЩЗМ и РЗМ синтезированных при высоких давлениях и температурах Химическая термодинамика и кинетика. Сборник трудов XIII Международной конференции. Великий Новгород, Изд-во НовГУ им. Ярослава Мудрого, с. 188-190 (год публикации - 2023)
10.34680/978-5-89896-877-9/2023.thermodynamics

3. Магницкая М.В., Боков А.В., Саламатин Д.А., Щелкачев Н.М., Цвященко А.В. Теоретическое и экспериментальное исследование соединений 3d-металлов с РЗМ и ЩЗМ синтезированных при высоком давлении Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. Сборник трудов международной конференции. Махачкала, Изд-во ДагФИЦ РАН, с. 57-59 (год публикации - 2023)
10.33580/9785002123148

4. А. П. Новиков, А. В. Боков, С. Г. Ляпин, А. В. Цвященко Ячейка с алмазными наковальнями и внешним нагревом образца для in situ оптических исследований Физические основы приборостроения, 3, 12 (год публикации - 2023)

5. Покатилов В.С., Русаков В.С., Гапочка А.М., Сигов А.С, Боков А.В., Магницкая М.В., Цвященко А.В. Исследование интерметаллидов CaCo2-xFex (x=0.02-0.50) методами рентгенографии и мёссбауэровской спектроскопии Проблемы физики твердого тела и высоких давлений. Сборник трудов XXII Всероссийской конференции. Москва–Сочи, Изд-во ФИАН, с. 36-38 (год публикации - 2023)