211service.com
Problém s přeměnou grafitu na diamant
Přeměna grafitu na diamant je dlouholetým snem alchymistů po celém světě. V moderní době si vědci v oblasti materiálů lámali hlavu nad tímto procesem, protože je těžké přijít na to, proč je konverze tak těžká.
Změřte volnou energii grafitu a diamantu a zjistíte, že jsou víceméně stejné. To znamená, že přeměna jednoho na druhý by měla být snadná.
A přesto při experimentech převod funguje pouze při teplotách výrazně nad 1700 K a při tlacích přesahujících 12 GigaPascalů. Není tedy divu, že diamant je tak vzácný a cenný
Proč by se ale grafit měl tak zdráhat provést změnu? Dnes Rustam Khaliullin ze Švýcarského federálního technologického institutu v Curychu a několik kamarádů tvrdí, že si myslí, že vědí proč. Tito lidé vytvořili počítačový model procesu, který identifikoval důvod, proč se diamant tak zdráhá tvořit.
Materiáloví vědci dlouho věřili, že proces přeměny musí začít nukleací diamantu v grafitu a následným růstem. Je snadné si představit, že takový proces by bylo snadné modelovat z prvních principů na počítači.
Ukázalo se, že tomu tak není. Povrchová energie diamantu je extrémně vysoká, takže malé diamanty s pouhými několika atomy nemohou snadno vzniknout (povrchová energie je prostě příliš vysoká).
To znamená, že počáteční jádro nukleace diamantu musí sestávat z desítek tisíc atomů uhlíku. To je příliš mnoho na jakoukoli standardní počítačovou simulaci od prvních principů.
Khaliullin a kamarádi mají jiný přístup. Používají neuronovou síť k simulaci potenciálního energetického povrchu, který existuje v grafitových listech při jejich ohýbání. Tento přístup ignoruje detaily každé uhlíkové vazby a místo toho se zaměřuje na obecnější molekulární strukturu.
Simulace si tak dokáže poradit s potřebnými desítkami nebo dokonce stovkami tisíc atomů. Khaliullin a spol. říkají, že jim to umožnilo provést první atomistickou studii homogenní nukleace diamantu z grafitu.
Výsledky jsou zajímavé. K vytvoření diamantu se šestihranné prstence v grafitu musí nejprve deformovat. V zásadě existují dva způsoby, jak se může šestihranný prsten zkroutit. Opačné konce šestiúhelníku se mohou ohýbat nahoru a vytvářet loďovitý tvar; nebo se jeden konec šestiúhelníku může ohnout nahoru a druhý dolů a vytvořit tak tvar připomínající židli.
Khaliullin a spol. ukazují, že při nízkých tlacích, pod 10 GPa, mají šestihranné prstence v grafitu tendenci tvořit strukturu ve tvaru člunu. Když k tomu dojde, grafit se zformuje do metastabilního allotropu uhlíku nazývaného hexagonální diamant.
To je podle nich důvod, proč se diamant tak obtížně vyrábí: uhlík se raději formuje do jiné šestiúhelníkové struktury.
Ve skutečnosti je to přesně to, co se děje v experimentech, když je grafit stlačován a zahříván pod kritické teploty pro tvorbu diamantu. Hexagonální diamant se také někdy nachází v meteoritech.
Khaliullin a spol. dále ukazují, že při vysokých tlacích se tvoří šestiúhelníky ve tvaru židle a že tyto zasévají tvorbu diamantu. Ukazují také, že jak se tlak zvyšuje, velikost diamantového semene potřebného ke spuštění nukleace se také zmenšuje. To je důvod, proč se diamant tvoří mnohem snadněji při 50 GPa než při 20 GPa.
To nijak neusnadní přeměnu uhlí na šperky. Ale dává materiálovým vědcům nový pohled na jeden ze zajímavějších problémů, který je v posledních letech mátl.
Ref: arxiv.org/abs/1101.1406 : Nukleační mechanismus pro přímý přechod fáze grafitu na diamant