211service.com
Problēmas, pārvēršot grafītu par dimantu
Grafīta pārvēršana dimantā ir bijis ilgs alķīmiķu sapnis visā pasaulē. Mūsdienu laikmetā materiālu zinātnieki ir neizpratnē par šo procesu, jo ir grūti saprast, kāpēc konvertēšana ir tik grūta.
Izmēriet grafīta un dimanta brīvo enerģiju, un jūs atklāsiet, ka tie ir vairāk vai mazāk vienādi. Tas nozīmē, ka pārvēršanai vienu citā vajadzētu būt vienkāršai.
Tomēr eksperimentos pārveidošana darbojas tikai temperatūrā, kas ievērojami pārsniedz 1700 K, un spiedienā, kas pārsniedz 12 gigapaskāļus. Tāpēc nav brīnums, ka dimants ir tik rets un vērtīgs
Bet kāpēc lai grafīts būtu tik nelabprāt veikt izmaiņas? Šodien Rustams Khaliullins no Šveices Cīrihes Federālā tehnoloģiju institūta un daži draugi saka, ka viņi zina, kāpēc. Šie puiši ir izveidojuši procesa datormodeli, kas identificējis iemeslu, kāpēc dimants tik nelabprāt veidojas.
Materiālu zinātnieki jau sen ir uzskatījuši, ka konversijas process jāsāk ar dimanta kodolu veidošanos grafītā, kam seko augšana. Ir viegli iedomāties, ka šādu procesu būtu vienkārši modelēt pēc pirmajiem principiem datorā.
Izrādījās, ka tas tā nav. Dimanta virsmas enerģija ir ārkārtīgi augsta, tāpēc mazi dimanti no dažiem atomiem nevar viegli veidoties (virsmas enerģija ir pārāk augsta).
Tas nozīmē, ka dimanta kodola sākotnējai sēklai jāsastāv no desmitiem tūkstošu oglekļa atomu. Tas ir pārāk daudz jebkurai standarta datorsimulācijai no pirmajiem principiem.
Khaliullin un viņa draugi izmanto atšķirīgu pieeju. Viņi izmanto neironu tīklu, lai modelētu potenciālās enerģijas virsmu, kas pastāv grafīta loksnēs, kad tās tiek izliektas. Šī pieeja ignorē katras oglekļa saites detaļas un tā vietā koncentrējas uz vispārīgāku molekulāro struktūru.
Tādā veidā simulācija var tikt galā ar nepieciešamajiem desmitiem vai pat simtiem tūkstošu atomu. Khaliullin un kolēģi saka, ka tas ir ļāvis viņiem veikt pirmo atomistisko pētījumu par homogēnu dimanta kodolu veidošanos no grafīta
Rezultāti ir intriģējoši. Lai izveidotu dimantu, grafīta sešstūra gredzeniem vispirms ir jādeformējas. Būtībā ir divi veidi, kā sešstūra gredzens var deformēties. Sešstūra pretējie gali var izlocīties uz augšu, veidojot laivai līdzīgu formu; vai viens sešstūra gals var izlocīties uz augšu, bet otrs uz leju, veidojot krēslam līdzīgu formu.
Khaliullin un co parāda, ka zemā spiedienā, zem 10 GPa, grafīta sešstūra gredzeni mēdz veidot laivas formas struktūru. Kad tas notiek, grafīts veidojas metastabilā oglekļa alotropā, ko sauc par sešstūra dimantu.
Viņi saka, ka tas ir iemesls, kāpēc dimantu ir tik grūti izgatavot: ogleklis dod priekšroku citai sešstūra struktūrai.
Faktiski tieši tas notiek eksperimentos, kad grafīts tiek saspiests un karsēts zem kritiskās dimanta veidošanās temperatūras. Sešstūra dimantu dažreiz atrod arī meteorītos.
Khaliullin un co turpina parādīt, ka pie augsta spiediena veidojas krēsla formas sešstūri un ka tie izraisa dimanta veidošanos. Tie arī parāda, ka, palielinoties spiedienam, samazinās arī dimanta sēklu izmērs, kas nepieciešams, lai izraisītu kodolu veidošanos. Tāpēc dimants veidojas daudz vieglāk pie 50 GPa nekā pie 20 GPa.
Tas nepadarīs vieglāku ogļu pārvēršanu rotaslietās. Bet tas sniedz materiālu zinātniekiem jaunu ieskatu vienā no interesantākajām problēmām, kas viņus ir mulsinājušas pēdējos gados.
Atsauce: arxiv.org/abs/1101.1406 : Kodolēšanas mehānisms tiešai fāzes pārejai no grafīta uz dimantu