Научными сотрудниками НИЛ «Компьютерный дизайн новых материалов и машинное обучение» Института физики Казанского федерального университета были проведены комплексные исследования типичных трифторидов редкоземельных элементов (РЗЭ) – гадолиния (GdF₃), тербия (TbF₃), диспрозия (DyF₃), гольмия (HoF₃) и эрбия (ErF₃), находящихся под высоким давлением до 30 ГПа. Исследование было выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет – 2030».

Трифторид – это химическое соединение, в котором с одним атомом или ионом одного элемента связаны три атома или иона фтора (F). Его образуют многие металлы, в частности, группа редкоземельных элементов. Уникальные свойства соединений обуславливают их ценность для широкого ряда задач биомедицины, лазерных технологий, катализа, водородных хранилищ и других высокотехнологичных областей.

Роль трифторидов значительно усиливается, если соединения имеют форму наночастиц, отметила ведущий научный сотрудник НИЛ «Компьютерный дизайн новых материалов и машинное обучение» Ирина Гумарова. По ее словам, ряд опубликованных ранее исследований подтвердили потенциальное применение их в биомедицинских приложениях, таких как компьютерная и магнитно-резонансная томография.

«Углубленное изучение трифторидов под высоким давлением позволяет понять, как их структура связана с физическими свойствами, что важно для оптимизации использования этих соединений и разработки материалов с заданными характеристиками, – говорит физик. – Особый интерес представляют фазовые переходы под давлением и стабильность материалов, так как эти параметры напрямую влияют на возможность их применения в высокотехнологичных областях».

В исследовании приняли участие ученые КФУ: старший научный сотрудник НИЛ Регина Бурганова, Ирина Гумарова и доцент кафедры общей физики Института физики Олег Недопекин, в соавторстве с научным сотрудником Центра инновационного развития науки и новых технологий Национальной академии наук Таджикистана Зафари Умаром и старшим научным сотрудником Сколковского института науки и технологий Ильей Чепкасовым.

Целью работы стало получение характеристик выбранных систем трифторидов путем проведения квантово-механических расчетов. Главная задача состояла в создании теоретической основы для проведения экспериментов и дальнейших расчетов, связанных с трифторидами как в кристаллической форме, так и в форме нанокристаллов.

Так, впервые учеными был подобран оптимальный набор параметров моделирования, универсальный для всего семейства трифторидов РЗЭ; исследована механическая стабильность соединений, упругие характеристики и эволюция параметров решетки при изменении давления.

«На основании сравнительного анализа упругих констант было выяснено,  что трифториды гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия и эрбия в орторомбической фазе демонстрируют большую устойчивость к однонаправленному сжатию, чем к сдвиговой деформации. Такое же поведение наблюдается в тригональной фазе», – указала Р. Бурганова.

Проведенные в КФУ расчеты на основе предложенных параметров и методов моделирования подтверждают наличие фазовых переходов под давлением, значения переходных точек которых согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Анализ электронных, магнитных и оптических свойств всех пяти трифторидов доказал уникальность этих соединений.

Результаты исследования опубликованы в журнале Computational Materials Science. В перспективе они могут послужить основой для разработки наночастиц трифторидов РЗЭ с заданными свойствами, например для медицинских приложений.