Кристаллохимические факторы формирования структуры металлических сплавов

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 24-23-00117

НазваниеКристаллохимические факторы формирования структуры металлических сплавов

Руководитель Блатова Ольга Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" , Самарская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова металлические сплавы, интерметаллиды, кристаллическая структура, корреляции, моделирование, прогнозирование, топологические методы, двухкомпонентные системы, трехкомпонентные системы, теория функционала плотности

Код ГРНТИ31.15.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является установление корреляций между геометрическими и топологическими свойствами кристаллических структур, образующихся в металлических системах, и химическим составом соответствующих твердых растворов (сплавов) и интерметаллических соединений. Известные в настоящее время корреляции (например, правила Юм-Розери) с одной стороны доказывают наличие взаимосвязи между геометрическими параметрами структуры (в частности, соотношением размеров составляющих ее атомов), топологическими свойствами (координационными числами атомов) и химической природой атомов (их электроотрицательностью, строением электронных оболочек, положением в Периодической Системе). С другой стороны, они сформулированы еще в первой половине прошлого века, основаны на визуальном анализе небольшого числа достаточно простых по строению кристаллических структур интерметаллидов, не подтверждены статистическими данными и не учитывают огромного количества современных кристаллографических данных. В данном проекте мы планируем провести систематический анализ всех известных двухкомпонентных металлических систем, для которых известны кристаллические структуры образующихся в них сплавов или интерметаллических соединений (исходная структурная информация будет взята из базы данных по структурам неорганических соединений ICSD). Для этого имеющееся программное обеспечение (комплекс программ ToposPro) будет модифицировано для работы с разупорядоченными структурами. В ходе анализа будет определена топология структуры образующихся фаз и установлены взаимосвязи между химическим составом (в том числе химической природой и размером атомов), окружением атомов (локальными атомными конфигурациями) и организацией структуры в целом. Найденные корреляции планируется распространить на трехкомпонентные системы и, как результат, уточнить и расширить правила Юм-Розери. На основе найденных корреляций будет проведен поиск потенциально ошибочных данных, проведена верификация соответствующих структур методами теории функционала плотности (DFT). Интерполяцией этих корреляций на не изученные области фазовых диаграмм будут спрогнозированы новые составы сплавов и интерметаллических соединений, стабильность который будет также подтверждена методами DFT. Мы также планируем провести синтез некоторых из спрогнозированных фаз и подтвердить их индивидуальность и кристаллическую структуру экспериментальными методами. В результате будут сформулированы кристаллохимические (опирающиеся на химические, геометрические и топологические свойства структуры) факторы (условия), которым должна подчиняться устойчивая интерметаллическая фаза в кристаллическом состоянии. Указанные факторы будут установлены на основе анализа всей накопленной экспериментальной информации, будут определены границы их применимости, исключения и ошибочные экспериментальные данные. Практическая применимость найденных корреляций «химический состав-кристаллическая структура» будет подтверждена синтезом новых интерметаллических фаз, которые удовлетворяют этим корреляциям. На основе полученных кристаллохимических данных и установленных корреляций на сайте https://topcryst.com будет создан интернет-сервис с онлайн-доступом и возможностью прогноза структуры и состава новых интерметаллических фаз. Таким образом, полученные в проекте результаты могут быть непосредственно использованы в практических целях исследователями из других научных групп.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В программный комплекс ToposPro включен метод описания статистически занятых позиций в кристаллической структуре, основанный на концепции виртуального атома, согласно которой в статистически занятой позиции находится атом, являющийся смесью статистически разупорядоченных атомов, вклад каждого из которых в этот виртуальный атом равен степени заполнения позиции разупорядоченным атомом. В систему фильтрации кристаллографической информации ToposPro добавлены фильтры по химическому составу позиций, содержащих разупорядоченные атомы, и типу разупорядочения. Модифицированный программный комплекс ToposPro доступен для загрузки на сайте https://topospro.com. Все 40327 кристаллических структур интерметаллидов и сплавов из последней версии базы данных ICSD 2024/2 были распределены по 2410 топологическим типам. Обновленная TTD коллекция опубликована на сайте https://topospro.com/databases/ttd/. Топологические типы включены в базы данных интерактивной системы TopCryst (https://topcryst.com). Создана база данных, содержащая 16834 структур с разупорядоченными атомами. Данные структуры относятся к сплавам или интерметаллидам с широкой областью гомогенности. База данных в формате ToposPro размещена по адресу https://sctms.ru/projects/24-23-00117/. 76414 кристаллографически неэквивалентных одно- и двухоболочечных локальных атомных конфигураций в 16834 структурах сплавов и интерметаллидов, содержащих разупорядоченные атомы, распределены соответственно по 4660 и 18482 топологическим типам. Соответствующие TTN коллекции в формате ToposPro размещены на сайте https://sctms.ru/projects/24-23-00117/. Разработаны новые дескрипторы, описывающие равномерность окружения отдельных атомов в кристаллической структуре интерметаллида или сплава и всей структуры в целом. Показано, что значения дескрипторов позволяют определить сомнительные или ошибочные данные в кристаллографической информации, а также выявить различия в природе межатомных взаимодействий в структуре. Рассчитанные критерии дескрипторов в зависимости от состава структуры и природы атома опубликованы на сайте https://sctms.ru/projects/24-23-00117/ в виде базы в формате Excel. С помощью этих критериев выявлены основные варианты ошибок в исходной кристаллоструктурной информации или структурных особенностей, которые приводят к низкой равномерности всей структуры или окружения отдельных атомов. Показано, что критерии равномерности могут указывать на то, является ли интерметаллическая структура геометрически правдоподобной или стабильной, являются ли связи в структуре в основном ненаправленными и имеются ли локальные неоднородности в организации структуры. Поскольку для расчета этих критериев требуются только исходные кристаллографические данные, критерии также могут быть использованы для проверки корректности структуры сразу после рентгеновского эксперимента. Данные критерии могут служить дополнением известных правил Юм-Розери, определяющих геометрическую стабильность структур интерметаллидов и сплавов. Для прогнозирования новых интерметаллидов и сплавов предложен формализм топологических преобразований «надсетка-подсетка», в котором любой реконструктивный твердотельный фазовый переход рассматривается как преобразование атомных сеток, соответствующих кристаллическим фазам. С помощью предложенного формализма описаны переходы между распространенными структурными типами интерметаллидов и сплавов – ОЦК, ГЦК, ГПУ, β-W, кубическая фаза Лавеса (MgCu2), Ni2In. Предложенный формализм позволяет находить переходы не только между известными фазами, но и генерировать новые структуры, которые являются топологически родственными (находятся в соотношении «надсетка-подсетка») с известными фазами.

Публикации

1. Блатова О.А., Славнов Т.Д., Дворянова Е.М., Афанасьева А.Д., Гребенников А.М., Блатов В.А. Concept of the supporting substructure in intermetallics: V, Nb and Ta binary compounds and alloys Crystal Growth & Design, V. 25 N 17, P. 7328–7335 (год публикации - 2025)
10.1021/acs.cgd.5c01027

2. Блатова О.А., Блатов В.А. Modeling intermetallic structures: the topological alloying approach Chemistry of Materials, V. 37, N 20, P. 8326–8336 (год публикации - 2025)
10.1021/acs.chemmater.5c01977

3. Блатова О.А., Славнов Т.Д., Афанасьева А.Д., Гребенников А.М., Блатов В.А. Topology of Intermetallic Crystals: Classification, Uniformity, and Transitions Inorganic Chemistry, V. 63, N 38, P. 17881–17890 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.inorgchem.4c03033

4. Фролов М.А., Дворянова Е.М., Крутов А.Ф., Павлова В.Е., Бурчаков А.В., Новиков В.А., Блатова О.А., Соколов А.В., Зенцов А.П., Сорокин В.Ю., Гатаулин А.Н., Петров С.С., Кудряшова М.О., Кабанов А.А., Блатов В.А. A low copper content alloy Al(1-x)Cux, x≤0.1: a joint computational and experimental study Physica B: Condensed Matter, V. 697, 416741 (год публикации - 2024)
10.1016/j.physb.2024.416741