Forskere løser gåden med at omdanne grafit til diamant

(Phys.org) – Forskere har endelig besvaret et spørgsmål, der har unddraget sig videnskabsmænd i årevis:når de udsættes for moderat højt tryk, hvorfor bliver grafit til sekskantet diamant (også kaldet lonsdaleite) og ikke den mere velkendte kubiske diamant, som forudsagt af teori?

Svaret kommer i vid udstrækning til et spørgsmål om hastighed - eller i kemitermer, reaktionskinetikken. Ved at bruge en helt ny type simulering, forskerne identificerede de laveste energiveje i grafit-til-diamant-overgangen og fandt ud af, at overgangen til sekskantet diamant er omkring 40 gange hurtigere end overgangen til kubisk diamant. Selv når kubisk diamant begynder at dannes, en stor mængde sekskantet diamant er stadig blandet i.

Forskerne, Yao-Ping Xie, Xiao-Jie Zhang, og Zhi-Pan Liu ved Fudan University og Shanghai University i Shanghai, Kina, har offentliggjort deres undersøgelse af de nye simuleringer af grafit-til-diamant-overgangen i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

"Dette arbejde løser det mangeårige puslespil om, hvorfor sekskantet diamant fortrinsvis fremstilles af grafit i stedet for den kubiske diamant ved begyndelsen af ​​diamantdannelsen, " fortalte Liu Phys.org . "I betragtning af at grafit-til-diamant er en prototype solid-til-solid overgang, den viden, man har lært af dette arbejde, skulle i høj grad gavne forståelsen af ​​højtryksfast fysik og kemi."

grafit, sekskantet diamant, og kubisk diamant er alle carbon allotroper, hvilket betyder, at de er lavet af kulstofatomer, der er arrangeret på forskellige måder. Grafit består af stablede lag af grafen, hvis atomer er arrangeret i et honeycomb-lignende gitter. Da kulstofatomerne i grafen ikke er fuldt bundne, grafen er blødt og flager let, hvilket gør den ideel til brug som blyant.

Begge typer diamanter, på den anden side, består af kulstofatomer, der alle har de maksimale fire bindinger, hvilket forklarer hvorfor diamant er så hårdt. I kubisk diamant (den slags, der typisk findes i smykker), lagene er alle orienteret i samme retning. I sekskantet diamant, lagene er skiftevis orienteret, giver det en sekskantet symmetri.

Under høje tryk på mere end 20 gigapascal (næsten 200, 000 gange atmosfærisk tryk), teori og eksperiment er enige om, at grafit bliver til kubisk diamant, med en sekskantet diamant blandet i. Men under tryk på mindre end 20 gigapascal, simuleringer har altid forudsagt, at kubisk diamant skulle være det foretrukne produkt, i modsætning til eksperimenter.

Disse simuleringer er baseret på forudsigelsen, ved disse pres, der kræves mindre energi for at danne den kubiske diamantkernedannelseskerne, eller kerne - udgangspunktet for diamantvækst - end at danne den sekskantede diamantkerne. Da dannelsen af ​​denne kerne er det mest energiforbrugende trin i hele processen, det følger, at kubisk diamantdannelse bør være mere termodynamisk gunstig end hexagonal diamant.

Men en stor ulempe ved disse simuleringer er, at de ikke tager højde for grænsefladerne mellem grafitten og diamantkernerne:et gittermisforhold mellem de to overflader kan inducere en belastningsenergi, der kan forstyrre stabiliteten af ​​den voksende diamant.

Ved at bruge en ny simulering kaldet stokastisk overfladevandring, forskerne i den nye undersøgelse kunne mere grundigt udforske alle de mulige grænseflader og identificere syv af dem, der svarer til de laveste energimæssige mellemstrukturer i grafit-til-diamant-overgangen.

Samlet set, resultaterne viser, at grænsefladen mellem grafit og den sekskantede diamantkerne er mindre anstrengt og mere stabil end grænsefladen med den kubiske diamantkerne. Regnskab for stabiliteten af ​​disse grænseflader kan endelig forklare, hvorfor hexagonal diamant dannes meget lettere og hurtigere end kubisk diamant ved moderat tryk.

Forskerne tilføjede, at selvom kubisk diamant kan synes at være mere ønskværdig end sekskantet diamant for den gennemsnitlige person, begge materialer har deres fordele.

"Mens kubisk diamant er velkendt i hverdagen og er et yderst nyttigt materiale, sekskantet diamant kunne også være meget nyttig, " sagde Liu. "F.eks. det blev forudsagt af teori til at være endnu hårdere end kubisk diamant. Mens den sekskantede diamant (lonsdaleite) kan findes i meteoritter, produktionen af ​​store sekskantede diamantkrystaller er ikke blevet opnået i eksperimentet. Man ville derfor forvente, at store sekskantede diamantkrystaller, hvis produceret, ville være endnu mere værdifuld end kubisk diamant."

I fremtiden, forskerne planlægger at forbedre simuleringerne yderligere ved at inkorporere teknikker fra neurale netværk samt ved at bruge big data.

© 2017 Phys.org