Як з графіту виходить алмаз

джерело переклад для mixednews - Onriom

Виробництво штучних алмазів вимагає виконання кількох складних умов. Нещодавно за допомогою комп'ютерного моделювання вчені змогли в найдрібніших деталях відтворити процес перетворення графіту в алмаз.

Підпис до зображення: За допомогою новітнього наукового методу вчені вперше в точності відтворили процес перетворення графіту в алмаз.

Перехід складається з декількох етапів, починаючи від освіти алмазного «насіння» всередині графіту, і закінчуючи повною трансформацією в справжній алмаз під впливом високого тиску.

Між цими двома різновидами природно формується елементарного вуглецю (темно-сірим графітом і блискучим алмазом) набагато більше відмінностей, ніж між кожним з них і практично будь-яким іншим матеріалом.

[Blockquote_note] Істотна різниця в міцності алмазу і графіту пов'язана, в основному, з їх кристалічною структурою - кубічної у випадку з алмазом і гексагональної у випадку з графітом. [/ Blockquote_note]

Ця різниця і робить алмаз міцним з усіх відомих матеріалів, на відміну від відносно м'якого графіту. Саме завдяки своїй високій міцності алмази користуються попитом не тільки як дорогоцінні камені - їх використовують в промисловості для шліфування та розпилювання особливо твердих матеріалів.

складне перетворення

Вперше отримати алмаз з графіту штучним чином вдалося 60 років тому. Але до виробництва в промислових масштабах справа не дійшла. Справа в тому, що необхідними умовами для його виробництва є високий тиск і високі температури, процес цей дуже тривалий і вимагає великих енергетичних витрат. Він включає в себе примусове зміна структури вуглецю, зміна розташування його електронів.

Повинні сформуватися чотири зв'язку атомів вуглецю замість трьох, і стан вуглецю має змінитися з енергетично «комфортного» до енергетично «некомфортного», щільного стану. Щоб це сталося, вуглець повинен подолати сильний енергетичний бар'єр.

[Blockquote_fact] Як саме відбувається подібна трансформація, і в який момент вуглець стає алмазом - досі наука не могла дати чіткої відповіді на це питання. [/ Blockquote_fact]

Професор обчислювальних наук Вищої технічної школи Цюріха і Університету Лугано Мішель Паррінелло і його команда, використовуючи метод комп'ютерного моделювання, успішно відтворили процес трансформації графіту в алмаз в віртуальному просторі.

Спрощення дає неправдиву картину

У минулому вчені намагалися змоделювати фазу переходу, використовуючи так званий «метод Кар-Паррінелло». За допомогою цього методу можна приблизно визначити структуру і енергетичний стан електронів в кожній позиції в йоні і, таким чином, змоделювати ситуацію з розривом і подальшим формуванням нових іонних зв'язків.

Метод 25-річної давності був розроблений в процесі спільної роботи Паррінелло з Роберто Карого. «Однак створення точної моделі процесу переходу від графіту до алмазу обійдеться занадто дорого, якщо врахувати необхідність відстежувати величезна кількість атомів», - каже Паррінелло.

Дослідники спробували спростити цей метод: вони значно скоротили використовується при моделюванні кількість атомів. Але, як стверджує Паррінелло, при подібному моделюванні вся фаза трансформації графіту виглядає таким чином, ніби відбувається миттєво, як по команді, а не поетапно.

Зовсім іншу картину вдалося отримати за допомогою нового, недавно розробленого методу моделювання. Використовуючи суперкомп'ютер Швейцарського національного суперкомп'ютерного центру, вчені вирахували десятки тисяч конфігурацій атомів з плавно переходить енергетичним станом.

Це означає, що конфігурації атомів мають широкий спектр можливих енергетичних станів. Після того як вчені інтерпольованого їх енергетичний стан і використовували отримані дані як базис для моделювання, стало очевидно, що спочатку формується діамантове «насіннячко», яке потім, під впливом високого тиску, поступово змінює свою гексагональную графитную структуру до кубічної.

[Blockquote_note] Моделювання фази трансформації за допомогою новітнього методу дозволило зробити ще одне відкриття: структурні дефекти в кристалічній решітці графіту зменшують кількість бар'єрів, які необхідно подолати для освіти алмазного «насіння». [/ Blockquote_note] .. Тому структурні дефекти можуть збільшити швидкість протікання процесу перетворення.

[Blockquote] Цей метод може бути використаний скрізь, де є необхідність візуалізувати фазові переходи [/ blockquote] - підкреслює Паррінелло.