Ученым удалось получить металлический материал, состоящий из компонентов, которые, как было принято считать ранее, не могут образовывать единую структуру в сплаве

Для решения этой задачи международная группа ученых под руководством профессора Мао (H.K. Mao) из Института Карнеги в Вашингтоне (Carnegie Institution of Washington, США) и профессора Упсальского Университета (Швеция) Раджива Айя (Rajeev Ahuja) провела расчетные и экспериментальные работы в области химии сплавов при высоких давлениях. Результаты исследований опубликованы в высоко цитируемом журнале PNAS (Substitutional alloy of Ce and Al).

Важнейшим выводом из проведенных исследований ученые считают доказанную ими возможность получения так называемых сплавов (твердых растворов) замещения из элементов с сильно различающимися свойствами: размером атомов и электроотрицательностью. В структуре сплавов замещения в кристаллической решетке атомы одного элемента замещаются «примесными» атомами другого элемента. При комнатной температуре и давлении выше 15 ГПа ученые наблюдали образование таких твердых растворов замещения из интерметаллического соединения Ce3Al, а при давлении выше 25 ГПа – из некристаллической фазы (металлического стекла) Ce3Al. Таким образом, крупные атомы церия и небольшие атомы алюминия при высоких давлениях способны образовать гранецентрированную кристаллическую решетку с нерегулярным замещением атомов.

При высоком давлении атомы церия претерпевают изменения, которые уменьшают различия между церием и алюминием: происходит делокализация внешних электронов и реструрируется объем атомов церия так, что церий и алюминий в этих условиях формально подчиняются правилам Юма-Розери (при разнице размеров атомов, не превышающей 15% и сходном строении электронных орбиталей атомы могут образовать твердый раствор замещения).

Это объяснение существования сплава церий-алюминий было подтверждено с помощью дифракции синхротронного рентгеновского излучения, атомно-абсорбционной спектроскопии края поглощения атомов церия, а также с помощью неэмпирических квантово-механических расчетов (ab initio подход).

После образования сплава, прекращения воздействия высокого давления и возвращения системы к комнатным условиям атомы церия переходят в свое изначальное электронное состояние; при этом сплав остается стабильным, то есть существует уже вне условий Юма-Розери.

Открытие возможности создания новых материалов на основе обнаруженного в сплаве церия и алюминия эффекта позволяет говорить о возможности получения и других сплавов на их основе, а также о создании различных церий содержащих сплавов. Такие материалы могут представлять интерес благодаря своим механическим, электрическим и магнитным свойствам.

Мария Костюкова