Billeddannelse af det mikrostrukturelle landskab af amorfe kulstoffer

Prof. Wu HengAns team fra University of Science and Technology i Kina har præsenteret seks repræsentative faser af amorfe kulstoffer baseret på simuleringer af molekylær dynamik (MD) i stor skala, der opnår et omfattende mikrostrukturelt landskab af amorfe kulstoffer.

Disse faser omfatter henholdsvis uordnet grafennetværk (DGN), amorft kulstof med høj densitet (HDAC), amorf diaphit (a-DG), amorf diamant (a-D), parakrystallinsk diamant (p-D) og nanopolykrystallinsk diamant (NPD). Holdet gennemførte en grundig analyse af de mikrostrukturelle topologiske karakteristika og deres bidrag til kort- til mellemdistance-orden.

Navnlig udviser a-DG hybridegenskaber af amorf grafit og atomisk uordnet diamant, mens p-D viser adskillige diamantlignende nanonukler fordelt i en amorf matrix.

Deres mikrostrukturelle topologiske karakteristika har en slående lighed med de nyligt syntetiserede amorfe carboner i eksperimenter, og denne konsistens antyder, at de simulerede modeller effektivt kan fange de forskellige mikrostrukturer observeret i eksperimentelt fremstillede amorfe carboner.

Desuden gennemførte holdet en omfattende analyse ved at sammenligne simuleringsdata med eksperimentelle observationer, hvilket førte til udviklingen af ​​et fasediagram i sp ³ /sp ² versus tæthedsplanet.

Fasediagrammet afslørede spændende mønstre karakteriseret ved uventede diskontinuiteter, som stammer fra iboende forskelle i den mikrostrukturelle topologi af forskellige typer af amorfe carboner. Interessant nok opdagede holdet en passende magtlov:log(sp ³ /sp ² ) ~ ρ ⁿ , hvor forskellige værdier af 'n' indikerer, at den mikrostrukturelle stabilitet af amorfe kulstoffer kan reguleres ved at manipulere sp ³ /sp ² forhold under specifikke temperatur-trykforhold.

På trods af betydelige variationer i atomskalaforstyrrelser som følge af ændringer i tæthed, temperatur og tryk, er det stadig muligt at skelne forskellige typer af amorfe carboner gennem de kort/mellem række ordnede topologiske mikrostrukturer. Denne klassificeringstilgang baner vejen for yderligere undersøgelser af de mekaniske egenskaber og andre relevante egenskaber ved amorfe kulstoffer.

Desuden undersøgte forskerne mulige faseovergangsveje mellem forskellige typer af amorft kulstof baseret på det diskontinuerlige fasediagram. De opdagede, at ved udglødning af DGN under høje temperatur- og højtryksforhold kan typiske amorfe kulstofstrukturer såsom a-DG, a-D og p-D opnås. Derudover blev der observeret en reversibel faseovergang mellem DGN og HDAC, i overensstemmelse med de seneste beregninger af første principper.

Derfor kan der være rigelige endnu uopdagede faseovergange og mikrostrukturelle udviklinger mellem forskellige typer af amorft kulstof under passende temperatur-trykforhold. Det opfølgende forskningsmål er at undersøge mekanismerne, der styrer disse faseovergange, hvilket giver værdifuld teoretisk indsigt til den eksperimentelle syntese af amorfe kulstofmaterialer.

Værket er publiceret i tidsskriftet National Science Review .

Flere oplysninger: YinBo Zhu et al., Discontinuous phase diagram of amorphous carbons, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae051

Leveret af Science China Press