Kłopoty z przekształceniem grafitu w diament

Zamiana grafitu w diament jest od dawna marzeniem alchemików na całym świecie. W epoce nowożytnej materiałoznawcy zastanawiali się nad tym procesem, ponieważ trudno jest zrozumieć, dlaczego konwersja jest tak trudna.

Zmierz energię swobodną grafitu i diamentu, a przekonasz się, że są mniej więcej takie same. Oznacza to, że przekształcenie jednego w drugie powinno być łatwe.

A jednak w eksperymentach konwersja działa tylko w temperaturach znacznie powyżej 1700K i przy ciśnieniu przekraczającym 12 gigapaskali. Nic więc dziwnego, że diament jest tak rzadki i cenny

Ale dlaczego grafit miałby być tak niechętny do zmiany? Dzisiaj Rustam Khaliullin ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu i kilku kumpli mówi, że wydaje im się, że wiedzą dlaczego. Ci faceci stworzyli komputerowy model procesu, który zidentyfikował przyczynę, dla której diament jest tak niechętny do formowania.

Naukowcy zajmujący się materiałami od dawna sądzili, że proces konwersji musi rozpocząć się od zarodkowania diamentu w graficie, po którym następuje wzrost. Łatwo sobie wyobrazić, że taki proces byłby prosty do zamodelowania od pierwszych zasad na komputerze.

Okazało się, że tak nie jest. Energia powierzchniowa diamentu jest niezwykle wysoka, więc małe diamenty składające się z zaledwie kilku atomów nie mogą się łatwo formować (energia powierzchniowa jest po prostu zbyt wysoka).

Oznacza to, że początkowe ziarno w procesie zarodkowania diamentu musi składać się z dziesiątek tysięcy atomów węgla. To za dużo na jakąkolwiek standardową symulację komputerową z pierwszych zasad.

Khaliullin i kumple przyjmują inne podejście. Wykorzystują sieć neuronową do symulacji powierzchni energii potencjalnej, która istnieje w arkuszach grafitowych podczas ich zginania. Takie podejście ignoruje szczegóły każdego wiązania węglowego i zamiast tego skupia się na bardziej ogólnej strukturze molekularnej.

W ten sposób symulacja może poradzić sobie z wymaganymi dziesiątkami, a nawet setkami tysięcy atomów. Khaliullin i wsp. twierdzą, że umożliwiło im to przeprowadzenie pierwszego atomistycznego badania jednorodnego zarodkowania diamentu z grafitu

Wyniki są intrygujące. Aby uformować diament, sześciokątne pierścienie z grafitu muszą najpierw się odkształcić. Istnieją zasadniczo dwa sposoby, w jakie sześciokątny pierścień może się wypaczać. Przeciwległe końce sześciokąta mogą wyginać się w górę, tworząc kształt podobny do łodzi; lub jeden koniec sześciokąta może wygiąć się w górę, a drugi w dół, tworząc kształt podobny do krzesła.

Khaliullin i wsp. wykazali, że przy niskich ciśnieniach, poniżej 10 GPa, sześciokątne pierścienie w graficie mają tendencję do tworzenia struktury w kształcie łodzi. Kiedy tak się dzieje, grafit tworzy metastabilny alotrop węgla zwany diamentem heksagonalnym.

Mówią, że to jest powód, dla którego diament jest tak trudny do wykonania: węgiel woli formować się w inną strukturę heksagonalną.

W rzeczywistości dokładnie to dzieje się w eksperymentach, gdy grafit jest ściskany i podgrzewany poniżej krytycznych temperatur formowania diamentu. Sześciokątny diament znajduje się również czasami w meteorytach.

Khaliullin i spółka pokazują, że pod wysokim ciśnieniem powstają sześciokąty w kształcie krzesła, które zapoczątkowują formację diamentu. Pokazują również, że wraz ze wzrostem ciśnienia zmniejsza się również rozmiar ziarna diamentu potrzebnego do wywołania zarodkowania. Dlatego diament formuje się znacznie łatwiej przy 50 GPa niż przy 20 GPa.

To nie ułatwi przekształcenia węgla w biżuterię. Ale to daje naukowcom zajmującym się materiałami nowy wgląd w jeden z bardziej interesujących problemów, które nurtują ich w ostatnich latach.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1101.1406 : Mechanizm nukleacji do bezpośredniego przejścia faz grafit-diament

ukryć