Cum să obțineți un diamant de grafit

producția de diamante artificiale necesită un număr de condiții dificile. Recent, cu ajutorul unor simulări pe calculator, oamenii de știință au reușit să recreeze fiecare proces detaliu de transformare de grafit în diamant.

Legendă imagine: Folosind cea mai recenta metoda științifică, oamenii de știință pentru prima dată reprodus exact procesul de transformare a grafitului în diamant.

Tranziția este format din mai multe etape, pornind de la formarea unui diamant „semințe“ în interiorul grafit pentru o transformare completă într-un diamant reală sub presiune ridicată.

Între aceste două specii formate în mod natural carbon elementar (gri închis și grafit diamant strălucitor) este mult mai mare diferență decât că între fiecare dintre ele și, practic, orice alt material.

Diferența esențială în puterea de diamant și grafit este asociat în principal cu structura lor cristalină - în cazul diamant cubic și hexagonal cu grafit.

Această diferență face ca diamantul și durabile a tuturor materialelor cunoscute, în contrast cu grafit relativ moale. Este mulțumită diamantele sale de înaltă rezistență sunt în cerere nu numai ca pietre prețioase - acestea sunt utilizate în industrie pentru polizarea și tăierea materialelor foarte dure.

Pentru prima dată obține un diamant de grafit gestionat în mod artificial în urmă cu 60 de ani. Dar, pentru producția la scară industrială nu este atins. Faptul că condițiile necesare pentru producția sa sunt presiuni și temperaturi ridicate, acest proces este foarte lung și necesită intrări mari de energie. Acesta cuprinde o schimbare forțată în structura de carbon, schimbarea locației de electroni sale.

patru legături de atomi de carbon ar trebui să fie format în loc de trei, iar starea de carbon ar trebui să se schimbe din punct de vedere energetic „confortabil“ energie în sus de stat dens „inconfortabil“. Pentru ca acest lucru să se întâmple, carbonul trebuie să depășească o barieră de energie puternică.

Cum anume are loc această transformare, și în ce moment carbonul devine un diamant - încă știința nu a putut da un răspuns clar la această întrebare.

Profesor de informatică la Technische Hochschule din Zurich și la Universitatea din Lugano Michele Parrinello și echipa sa, folosind metoda de simulare pe calculator a recreat cu succes procesul de transformare a grafitului în diamant în spațiul virtual.

Simplificatoare oferă o imagine falsă

In trecut, oamenii de știință au încercat să simuleze în faza de tranziție, folosind așa-numita „metoda auto-Parrinello.“ Cu această metodă este posibil să se determine aproximativ structura și energie starea electronilor în fiecare poziție în ionul și, astfel, pentru a simula situația cu ruptură și formarea ulterioară a unor noi legături ionice.

Metoda în vârstă de 25 de ani, a fost dezvoltat în colaborare cu Roberto Parrinello Kar. „Cu toate acestea, crearea unui model exact al tranziției de la grafit la diamant ar fi prea costisitoare, având în vedere necesitatea de a ține evidența a unui număr foarte mare de atomi“, - spune Parrinello.

Cercetătorii au încercat să simplifice această metodă: au redus semnificativ cantitatea utilizată pentru atomi de modelare. Dar, potrivit Parrinello, cu o astfel de modelare întreaga fază de transformare a grafitului este după cum urmează, în cazul în care există o clipă, ca la un semn, mai degrabă decât în ​​etape.

Destul de o imagine diferită ar putea fi obținute folosind o metodă nouă, recent dezvoltat de modelare. Folosind supercomputer elvețian Centrul Național de Supercomputer, oamenii de știință calculat zeci de mii de configurații atomi cu o stare de energie în mod continuu care trece.

Aceasta înseamnă că, configurația atomilor au un spectru larg de posibile stări energetice. Dupa ce oamenii de știință starea lor de energie interpolate și utilizarea datelor obținute ca bază pentru simulare, a devenit evident faptul că a format inițial diamant „semințe“, care este apoi, sub influența presiunii ridicate, își schimbă treptat structura sa de grafit hexagonal cubi.

Modelarea transformării de fază folosind ultima tehnica ne-a permis o altă descoperire a defectelor structurale în rețeaua cristalină a grafitului reduce numărul de bariere care trebuie depășite pentru formarea unui diamant „semințe“. Prin urmare, defecte structurale pot crește viteza procesului de conversie.

Această metodă poate fi utilizată ori de câte ori este nevoie de a vizualiza o fază de tranziție - subliniază Parrinello.