a) Fe3N2 при давлении в 50 ГПа. Структура представляет собой четырёхсторонние тригональные призмы NFe7, соединённые по тригональным граням и рёбрам.
b) FeN при давлении в 50 ГПа со структурным типом NiAs.
c) FeN2 при давлении в 58 ГПа; На рисунке показаны октаэдры FeN6, соединённые в бесконечные цепочки по общим граням и выровненные вдоль c-оси. Цепочки соединены между собой по общим вершинам. Дополнительная связь между октаэдрами FeN6 обеспечивается через цепочки N-N.
d) FeN4 под давлением в 135 ГПа. В структуре FeN4 каждый атом Fe — часть двух неплоских пятичленных Fe[N4] металлациклов, которые практически параллельны (1-10) плоскости решётки. Атомы азота формируют бесконечные зигзагообразные цепочки вдоль c-оси.
Учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» совместно с коллегами из германских Байройтского (нем. Universität Bayreuth) и Мюнстерского (нем. Westfälische Wilhelms-Universität) университетов, Чикагского университета (University of Chicago), и шведского Линчёпингского университета (швед. Linköpings universitet, LiU) создали материалы-нитриды, получить которые ранее считалось невозможным. Более того, показали, что для этого требуется весьма простой способ прямого синтеза.
Статьи об исследовании опубликованы в журналах Nature Communications и Angewandte Chemie International Edition.
Нитриды активно используют для создания сверхтвёрдых покрытий и в электронике. Обычно содержание азота в этих материалах невысоко, а превысить его по сравнению с содержанием переходного металла — затруднительно (поскольку азотные связи слишком высокоэнергетические).
Особенно этим отличаются соединения рения и железа, которые и выбрали для опытов авторы исследования. Они решили вывести синтез из обычных земных условий в условия сверхвысоких давлений.
«Такой способ — один из наиболее перспективных путей создания качественно новых материалов, открывающий фантастические возможности. Есть известные примеры: искусственный алмаз, кубический нитрид Бора, — комментирует профессор Игорь Абрикосов. — Но они существовали в природной форме. А вот идея сознательно создать невозможные в природе материалы — наше ноу-хау».
По его словам, эксперименты почти сразу дали результат. Азот с переходным металлом помещается в алмазную наковальню, и при высоких давлениях проводится прямой синтез (без прекурсоров).
«Нитрид рения показывает свойство низкой сжимаемости, потенциально имеет очень высокие механические характеристики и свойство сверхтвёрдости — это важно, например, для улучшения качества режущих инструментов», — рассказывает Игорь Абрикосов.
Свойства полученных материалов предстоит выяснить — являются ли они сверхпроводниками или магнитами, пригодны ли для спинтроники.
a) Фрагмент кристаллической структуры, параллельной (1-10) плоскости решётки, демонстрирующий полимерные зигзагообразные цепочки N-N.
b) Тот же самый фрагмент с другого ракурса.
c) Фрагмент кристаллической структуры, демонстрирующий координационную геометрию атомов азота.
d) Карта плотности заряда с зигзагообразными цепочками N-N в структуре FeN4.
e) Схема poly[tetraz-1-ene-1,4-diyl] anion.
f) Схема координации атомов железа poly[tetraz-1-ene-1,4-diyl] anions.
Обратный вывод полученных под давлением материалов в земные условия не так прост, как хотелось бы. Потребуются более серьёзные экспериментальные установки, работа над которыми уже ведётся.
О результатах экспериментов, вероятно, мы услышим в течение года.
Игорь Абрикосов считает, что если коллектив докажет предполагаемую сверхтвёрдость — в течение 5 лет мы увидим «невозможные» материалы уже в коммерческом поле.
