211service.com
Problemet med att förvandla grafit till diamant
Att omvandla grafit till diamant har varit en lång dröm för alkemister världen över. I den moderna eran har materialforskare undrat över denna process eftersom det är svårt att ta reda på varför omvandlingen är så svår.
Mät den fria energin hos grafit och diamant och du kommer att upptäcka att de är mer eller mindre likadana. Det innebär att det borde vara enkelt att omvandla det ena till det andra.
Och ändå i experiment fungerar omvandlingen bara vid temperaturer långt över 1700K och vid tryck som överstiger 12 GigaPascal. Det är därför inte konstigt att diamant är så sällsynt och värdefull
Men varför skulle grafit vara så ovilliga att göra förändringen? Idag säger Rustam Khaliullin vid det schweiziska federala tekniska institutet Zürich och några kompisar att de tror att de vet varför. Dessa killar har skapat en datormodell av processen som har identifierat anledningen till att diamant är så ovillig att bildas.
Materialforskare har länge trott att omvandlingsprocessen måste börja med kärnbildning av diamant i grafit följt av tillväxt. Det är lätt att föreställa sig att en sådan process skulle vara enkel att modellera från första principer på en dator.
Så har det visat sig inte vara fallet. Diamantens ytenergi är extremt hög så små diamanter med endast ett fåtal atomer kan inte lätt bildas (ytenergin är alldeles för hög).
Det betyder att det initiala fröet i diamantkärnbildning måste bestå av tiotusentals kolatomer. Det är för många för alla vanliga datorsimuleringar från första principer.
Khaliullin och kompisar tar ett annat tillvägagångssätt. De använder ett neuralt nätverk för att simulera den potentiella energiytan som finns i grafitark när de böjs. Detta tillvägagångssätt ignorerar detaljerna i varje kolbindning och fokuserar istället på den mer allmänna molekylstrukturen.
På så sätt kan simuleringen klara de tiotals eller till och med hundratusentals atomer som krävs. Khaliullin och co säger att detta har gjort det möjligt för dem att utföra den första atomistiska studien av homogen diamantkärnbildning från grafit
Resultaten är spännande. För att bilda diamant måste de hexagonala ringarna i grafit först deformeras. Det finns i huvudsak två sätt en hexagonal ring kan skeva. Motsatta ändar av sexkanten kan båda böjas uppåt och bilda en båtliknande form; eller ena änden av sexkanten kan böjas uppåt och den andra nedåt och bilda en stolliknande form.
Khaliullin och co visar att vid låga tryck, under 10GPa, tenderar de hexagonala ringarna i grafit att bilda den båtformade strukturen. När detta händer formas grafiten till en metastabil allotrop av kol som kallas hexagonal diamant.
Detta, säger de, är anledningen till att diamant är så svår att tillverka: kol föredrar att formas till en annan hexagonal struktur.
Det är faktiskt precis vad som händer i experiment när grafit komprimeras och värms upp under de kritiska diamantbildande temperaturerna. Hexagonal diamant finns också ibland i meteoriter.
Khaliullin och co fortsätter med att visa att vid höga tryck bildas de stolformade hexagonerna och att dessa bildar diamant. De visar också att när trycket ökar, krymper också storleken på diamantfröet som behövs för att utlösa kärnbildning. Det är därför diamant bildas mycket lättare vid 50 GPa än vid 20 GPa.
Det kommer inte att göra det lättare att förvandla kol till smycken. Men det ger materialforskare en ny insikt i ett av de mer intressanta problemen som har förbryllat dem de senaste åren.
Ref: arxiv.org/abs/1101.1406 : Kärnbildningsmekanism för den direkta grafit-till-diamantfasövergången