Автор: Грег Уотри (Greg Watry)
(ucdavis.edu) - Графит в вашем любимом карандаше мог бы быть бриллиантом, который всегда носит ваша мама. В чем разница? Исследователи раскрывают это.
Способ, с помощью которого расплавленный углерод кристаллизуется в графит или алмаз, имеет значение для планетологии, производства материалов и исследований ядерного синтеза. Однако этот момент кристаллизации сложно изучать экспериментальным путем, поскольку он происходит очень быстро и в экстремальных условиях.
В новом исследовании, опубликованном 9 июля в журнале Nature Communications, исследователи из Калифорнийского университета (University of California) в Дэвисе и Университета Джорджа Вашингтона (George Washington University) используют компьютерное моделирование для изучения способа, с помощью которого расплавленный углерод кристаллизуется в графит или алмаз при температурах и давлениях, близких к тем, что существуют в недрах Земли. Результаты исследования, полученные этой группой, бросают вызов традиционному пониманию способа образования алмазов и объясняют, почему экспериментальные результаты, полученные при изучении фазового поведения углерода, были столь противоречивыми.
Применяя передовые методы молекулярного моделирования с использованием машинного обучения, исследовательская группа обнаружила, что жидкий углерод демонстрирует гораздо более сложное поведение при кристаллизации, чем считалось ранее. Самое удивительное, они обнаружили, что графит, являющийся мягкой формой углерода, похожей на карандашный грифель, может образовываться спонтанно даже тогда, когда стабильной фазой должен быть алмаз, возможно, за счет «захвата» процесса образования алмаза.
«Преимущество моделирования заключается в том, что можно легко воссоздать эти экстремальные условия без использования какого-то специального оборудования, - сказал старший автор исследования Давиде Донадио (Davide Donadio), профессор кафедры химии Колледжа литературы и науки (College of Letters and Science) Калифорнийского университета в Дэвисе. - Экспериментальным путем очень сложно получить контролируемые условия такой высокой температуры и давления, а также производить мониторинг процесса кристаллизации».
Моделирование недр Земли
В исследовании группа представила атомистическую модель этого процесса, подготовив модели при различных давлениях, от 5 до 30 гигапаскалей (ГПа), по мере охлаждения расплавленного углерода, от 5000 до 3500 градусов Кельвина (К). Донадио отметил, что такие условия можно получить в экспериментах с нагревом лазерным излучением.
Хотя исследователи ожидали получить стекловидный углерод - стеклографит - при быстром охлаждении жидкости, они заметили спонтанную кристаллизацию. При высоких давлениях жидкий углерод кристаллизовался в алмаз, а при более низких - в графит.
«Это стало приятным сюрпризом, поскольку моделирование кристаллизации в обычных условиях проходит гораздо сложнее, - сказал Донадио. - Обычно приходится прибегать к некоторым уловкам, чтобы добиться кристаллизации в молекулярно-динамических моделях. Еще больше нас поразила спонтанная кристаллизация графита при давлениях до 15 ГПа - условиях, при которых стабильной формой должен быть алмаз».
Неожиданное поведение следует принципу, известному как правило ступени Оствальда (Ostwald), которое позволяет предсказать, что кристаллизация иногда протекает через промежуточные метастабильные фазы, а не напрямую к наиболее стабильной форме. Исследователи обнаружили, что графит служит своего рода ступенькой в образовании алмаза, поскольку его структура больше напоминает плотность и структуру связей жидкого углерода.
«Жидкому углероду, по сути, легче сначала превратиться в графит, хотя алмаз в конечном итоге более стабилен в этих условиях, - сказал соавтор исследования Тяньшу Ли (Tianshu Li), профессор кафедры гражданского строительства и экологии Университета Джорджа Вашингтона. - Природа выбирает путь наименьшего сопротивления».
Два горизонтальных ряда по четыре квадратных блока. В каждом блоке - сетки из шестиугольников. Верхний ряд красного цвета показывает плоские листы, формирующиеся слева направо, нижний ряд синего цвета показывает формирование твердой структуры.
Различия в кристаллизации
Благодаря моделированию группа также выявила молекулярную структуру жидкого углерода, кристаллизующегося в графит, а затем, по отдельности, в алмаз. Графит кристаллизовался в виде столбчатовидных структур, которые в конечном итоге «выступали» наружу. Алмаз кристаллизовался благодаря компактным кристаллитам.
Это исследование объясняет давние расхождения в экспериментах с углеродом под высоким давлением, предоставляя новую основу для интерпретации результатов, которые казались противоречивыми.
Эти результаты имеют значение для самых разных областей. Они помогают объяснить, почему формирование природных алмазов встречается редко, и дают новое представление о глубоком углеродном цикле, влияющем на климат и геологию Земли в геологических масштабах времени. В производстве материалов понимание этих путей кристаллизации может улучшить синтез технических алмазов, особенно для специализированных областей применения, таких как квантовые вычисления, где необходим точный контроль кристаллической структуры.
«Кристаллизация имеет основополагающее значение для технологий, а алмазы являются чрезвычайно полезными как материалы, - сказал Донадио. - Эта работа объясняет наличие графита там, где его вряд ли можно было ожидать».
