Квазистабильные цепочки атомов сделали расплав висмута более структурированным на атомарном уровне

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. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scripta Materialia.

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.

«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.