Grafit ændres til sekskantet diamant på picosekunder

Grafit-diamant faseovergangen er af særlig interesse af fundamentale årsager og en bred vifte af anvendelser.

På meget hurtige komprimeringstidsskalaer hindrer materialekinetik overgangen fra grafit til den ligevægtskubiske diamantkrystalstruktur, som vi almindeligvis kender som diamant. Chokbølgekompression af grafit kræver typisk tryk over 50 GPa (500.000 atmosfærer) for at observere faseovergangen på tidsskalaen for stødkomprimeringseksperimenter. Ydermere er den sekskantede polytype af diamant kaldet Lonsdaleite blevet observeret i stødkomprimeret materiale efter meteoritnedslag, hvilket tyder på, at tidsskalaen for kompression spiller en stærk rolle i faseovergangen.

I nye eksperimenter har forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) efterlignet betingelserne for Lonsdaleite-dannelse ved hjælp af laserkompression i picosecond-tidsskala og observeret overgangen med state-of-the-art materialekarakterisering ved hjælp af femtosekund-røntgenimpulser.

Observationen af ​​Lonsdaleite efter stødkomprimering har været et vedvarende mysterium, herunder debat om, hvorvidt sekskantet diamant eksisterer som en udvidet struktur eller er kubisk diamant med defekter. Tidligere undersøgelser af faseovergangen af ​​grafit til diamant eller Lonsdaleite under moderat stødkompression understøtter en diffusionsfri mekanisme for faseovergangen, men disse undersøgelser observerede ikke atomstruktur gennem overgangen, så transformationsmekanismen blev ikke afsløret.

"Lonsdaleite dannes under hurtig komprimering - unik for chokkomprimering," sagde LLNL-forsker Mike Armstrong, hovedforfatter til et papir, der optræder i et særligt Shock Behavior of Materials-nummer af Journal of Applied Physics . "Der har været spekulationer i årtier om mekanismerne og mellemtilstandene af denne faseovergang, og hvorfor den kun dannes under hurtig komprimering. Her viser vi, at Lonsdaleite-strukturen sandsynligvis er en mellemtilstand i faseovergangen til kubisk diamant."

I eksperimenterne brugte holdet den unikke egenskab af Matter in Extreme Conditions-instrumentet på Linac Coherent Light Source til at udforske kulstoffaseovergangsadfærden efter en stigning i kompressionschok i picosekunder efterfulgt af ~100 ps vedvarende kompression. Ultrahurtig kompressionseksperimenter er blevet brugt til at undersøge tidligere ukendte tilstande af stof under ekstrem elastisk kompression, sub-100 ps diffusionsfri faseovergange og belastningshastighedsafhængig stødinduceret kemi, men grafits respons på ultrahurtig kompression er ikke tidligere blevet undersøgt på picosekunders tidsskalaer .

"Disse eksperimenter er analoge med tidlige tidsdomæneeksperimenter for at identificere overgangstilstanden i fysisk kemi," sagde Armstrong. "På grund af den meget korte observationstidsskala har dette eksperiment evnen til at observere kortlivede faseovergangsmellemprodukter, analogt med overgangstilstanden i kemiske reaktioner."

Teammedlemmer oplevede en faseovergang, hvor produktfasen er stærkt korreleret til den indledende fase. De observerede et højt tekstureret, næsten enkeltkrystalprodukt inden for 20 ps efter komprimering.

"Dette bekræfter tidlige spekulationer om, at denne faseovergang er diffusionsfri, og at Lonsdaleite kan være et mellemprodukt, selv i transformationen til den endelige ligevægtstilstand, kubisk diamant," sagde LLNL-forsker Harry Radousky, en medforfatter af undersøgelsen. "Dette eksperiment adresserer årtiers spekulationer om arten af ​​denne faseovergang, som har været genstand for betydeligt teoretisk arbejde."

Eksperimenterne opnåede tids- og længdeskalaerne for state-of-the-art simuleringer, som normalt ekstrapoleres for at sammenligne med længere tidsskalaeksperimenter. + Udforsk yderligere

Forskning i chokkompression viser, at sekskantet diamant kan tjene som meteornedslagsmarkør