Исследователи обнаруживают, что графит, который мы встречаем в обычном карандаше, мог бы стать алмазом, который носит ваша мама. Что повлияло на разницу? Учёные выясняют это.
Кристаллизация расплавленного углерода
Процесс кристаллизации расплавленного углерода в графит или алмаз имеет значение для планетологии, производства материалов и исследований ядерного синтеза. Однако этот момент кристаллизации трудно изучить экспериментально, поскольку он происходит очень быстро и в экстремальных условиях.
В новом исследовании, опубликованном 9 июля в Nature Communications, учёные из Калифорнийского университета в Дэвисе и Университета Джорджа Вашингтона используют компьютерное моделирование для изучения того, как расплавленный углерод кристаллизуется в графит или алмаз при температурах и давлениях, аналогичных условиям в недрах Земли.
Вызовы традиционным представлениям о формировании алмазов
Результаты исследования ставят под сомнение общепринятые представления о формировании алмазов и объясняют, почему экспериментальные результаты, изучающие фазовое поведение углерода, были столь противоречивыми.
Используя передовые молекулярно-динамические симуляции на основе машинного обучения, исследовательская группа обнаружила, что жидкий углерод демонстрирует гораздо более сложное кристаллизационное поведение, чем считалось ранее. Самое удивительное, что они обнаружили: графит — мягкая форма углерода, напоминающая грифель карандаша, — может образовываться спонтанно даже тогда, когда алмаз должен быть стабильной фазой, возможно, «узурпируя» формирование алмаза.
Условия кристаллизации
В исследовании команда представила атомистическую картину того, как этот процесс протекает, подготовив модели при различных давлениях от 5 до 30 гигапаскалей (ГПа), когда расплавленный углерод охлаждался от 5000 до 3500 Кельвин (К).
Команда ожидала получить аморфный углерод в результате быстрого охлаждения жидкости, но заметила спонтанную кристаллизацию. При высоком давлении жидкий углерод кристаллизовался в алмаз, а при более низком — в графит.
Принцип кристаллизации
Неожиданное поведение следует принципу, известному как правило ступеней Оствальда, которое предсказывает, что кристаллизация иногда протекает через промежуточные метастабильные фазы, а не напрямую к наиболее стабильной форме.
Исследователи обнаружили, что графит действует как ступенька в формировании алмаза, поскольку его структура более близко напоминает плотность жидкого углерода и характер связей.
Выводы исследования
Результаты исследования объясняют давние расхождения в экспериментах с углеродом под высоким давлением, предоставляя новую основу для интерпретации результатов, которые казались противоречивыми.
Выводы имеют значение для различных областей. Они помогают объяснить, почему формирование природных алмазов является редким явлением, и дают новое понимание глубинного углеродного цикла, который влияет на климат и геологию Земли в геологических масштабах времени.
В производстве материалов понимание этих путей кристаллизации может улучшить промышленный синтез алмазов, особенно для специализированных применений, таких как квантовые вычисления, где необходим точный контроль над структурой кристалла.