Учёные при помощи компьютерной симуляции предсказали материал с рекордной температурой плавления

Материаловеды из Университета Брауна (Род-Айленд, США) при помощи компьютерной симуляции подсчитали, что у материала, изготовленного из гафния, азота и углерода, будет самая высокая температура плавления из всех, известных на сегодняшний день. В своих вычислениях учёные использовали законы квантовой механики.

Металл гафний был открыт в начале 20-го века. Он сам по себе тугоплавкий – его температура плавления составляет 2506 К. Хотя это и меньше, чем, допустим, у знаменитого вольфрама (3695 К), но зато сплавы с участием углерода и гафния уже давно ставят рекорды по температурам плавления.

Например, с 1930 года рекорд по этому показателю держал карбид тантала-гафния (Ta₄HfC₅) – 4215 К. Но новый гипотетический материал побеждает в этом соревновании с температурой минимум в 4400 К. Это больше 3/4 эффективной температуры поверхности Солнца (5778 К). Правда, всё это пока лишь теория – необходимо ещё изготовить такой материал и проверить его в очень-очень горячей печи.

Но то, что такие теории можно просчитывать на компьютере – это большой шаг вперёд. «Преимущество подхода, в котором исследования начинаются с компьютерных симуляций, состоит в том, что мы можем проверить много различных комбинаций без больших расходов на тесты, и найти сразу те варианты, с которыми стоит поэкспериментировать в лаборатории,- поясняет Аксель ван де Вэйл, помощник профессора и соавтор статьи. – В обычной ситуации мы действовали бы наугад – но теперь мы знаем, с чем можно экспериментировать».

При помощи суперкомпьютера Национального научного фонда учёные симулировали физические процессы на атомном уровне, моделируя поведение сотни атомов, используя законы квантовой физики. Отталкиваясь от структуры карбида тантала-гафния, учёные при помощи компьютерных вычислений выяснили, какие именно факторы приводят к такой высокой температуре плавления.

Выяснилось, что карбид тантала-гафния сочетает высокую удельную теплоту плавления с маленькой разницей в энтропии между жидкой и твёрдой фазами. Как объясняет ван де Вэйл, при плавлении материала увеличивается его энтропия, и если разница энтропии между твёрдым и жидким состоянием мала, то температура, требуемая для фазового перехода, у такого материала довольно высокая. Исходя из этого, им удалось подобрать материал, у которого разница в энтропиях ниже, чем у исходного, а температура плавления, соответственно, выше.

Из сплавов тантала и гафния делают детали ракетной техники (сопла, газовые рули) и электроды для воздушно-плазменной и кислородно-пламенной резки металлов. Характеристики теоретически предсказанного материала ещё предстоит уточнить на практике – такие свойства, как механические свойства, окисляемость, и прочее, важны не менее, чем температура плавления. Но, как отмечает, ван де Вэйл, работа по теоретическому расчёту температуры плавления – сама по себе знаковая, поскольку её достаточно трудно рассчитать, по сравнению с другими характеристиками материалов.

Источник: geektimes.ru/post/259520/