Sublimering, ikke smelter:Grafen overrasker forskerne igen

Fysikere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi og Institut for Højtryksfysik ved Det Russiske Videnskabsakademi har brugt computermodellering til at forfine grafits smeltekurve, som er blevet undersøgt i over 100 år, med inkonsistente resultater. De fandt også, at grafen "smeltning" er, faktisk, sublimering. Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Kulstof .

Grafit er meget udbredt i industrien - f.eks. i varmeskjolde til rumfartøjer - så nøjagtige data om dets adfærd ved ultrahøje temperaturer er af afgørende betydning. Grafitsmeltning er blevet undersøgt siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Omkring 100 eksperimenter har placeret grafittens smeltepunkt ved forskellige temperaturer mellem 3, 000 og 7, 000 kelvin. Med en spredning så stor, det er uklart hvilket tal der er korrekt, og kan betragtes som det faktiske smeltepunkt for grafit. De værdier, der returneres af forskellige computermodeller, er også i overensstemmelse med hinanden.

Et hold fysikere fra MIPT og HPPI RAS sammenlignede flere computermodeller for at prøve at finde de matchende forudsigelser. Yuri Fomin og Vadim Brazhkin brugte to metoder:klassisk molekylær dynamik og ab initio molekylær dynamik. Sidstnævnte tegner sig for kvantemekaniske effekter, gør det mere præcist. Ulempen er, at den kun omhandler interaktioner mellem et lille antal atomer på korte tidsskalaer. Forskerne sammenlignede de opnåede resultater med tidligere eksperimentelle og teoretiske data.

Fomin og Brazhkin fandt, at de eksisterende modeller var meget unøjagtige. Men det viste sig, at sammenligning af resultaterne produceret af forskellige teoretiske modeller og finde overlapninger kan give en forklaring på de eksperimentelle data.

Så langt tilbage som 1960'erne, grafitsmeltekurven blev forudsagt at have et maksimum. Dens eksistens peger på kompleks væskeadfærd, hvilket betyder, at væskens struktur hurtigt ændrer sig ved opvarmning eller fortætning. Opdagelsen af ​​maksimum var stærkt omstridt, med en række undersøgelser, der bekræfter og udfordrer det igen og igen. Fomin og Brazhkins resultater viser, at den flydende kulstofstruktur undergår ændringer over grafens smeltekurve. Det maksimale skal derfor eksistere.

Anden del af undersøgelsen er dedikeret til at studere smeltningen af ​​grafen. Der er ikke udført grafen-smelteeksperimenter. Tidligere, computermodeller forudsagde smeltepunktet for grafen ved 4, 500 eller 4, 900 K. Todimensionelt kulstof blev derfor anset for at have det højeste smeltepunkt i verden.

"I vores undersøgelse, vi observerede en mærkelig 'smeltende' adfærd af grafen, som dannede lineære kæder. Vi viste, at det, der sker, er, at det går fra et fast stof direkte til en gasformig tilstand. Denne proces kaldes sublimering, " kommenterede lektor Yuri Fomin fra Institut for Almen Fysik, MIPT. Resultaterne muliggør en bedre forståelse af faseovergange i lavdimensionelle materialer, som betragtes som en vigtig komponent i mange teknologier, der i øjeblikket er under udvikling, inden for områder fra elektronik til medicin.

Forskerne lavede en mere præcis og samlet beskrivelse af, hvordan grafitsmeltekurven opfører sig, bekræfter en gradvis strukturel overgang i flydende kulstof. Deres beregninger viser, at smeltetemperaturen for grafen i en argonatmosfære er tæt på smeltetemperaturen for grafit.