(Phys.org)—Onderzoekers hebben eindelijk antwoord gegeven op een vraag die wetenschappers al jaren ontgaan:bij blootstelling aan matig hoge druk, waarom verandert grafiet in hexagonale diamant (ook wel lonsdaleite genoemd) en niet de meer bekende kubieke diamant, zoals voorspeld door de theorie?

Het antwoord komt grotendeels neer op een kwestie van snelheid - of in scheikundige termen, de reactiekinetiek. Met behulp van een gloednieuw type simulatie, de onderzoekers identificeerden de paden met de laagste energie in de overgang van grafiet naar diamant en ontdekten dat de overgang naar zeshoekige diamant ongeveer 40 keer sneller is dan de overgang naar kubieke diamant. Zelfs wanneer kubieke diamant zich begint te vormen, een grote hoeveelheid zeshoekige diamant is nog steeds gemengd.

De onderzoekers, Yao Ping Xie, Xiao-Jie Zhang, en Zhi-Pan Liu aan de Fudan University en de Shanghai University in Shanghai, China, hebben hun studie over de nieuwe simulaties van de overgang van grafiet naar diamant gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Dit werk lost de al lang bestaande puzzel op waarom hexagonale diamant bij voorkeur wordt geproduceerd uit grafiet in plaats van de kubieke diamant bij het begin van diamantvorming, " vertelde Liu Phys.org . "Gezien het feit dat grafiet-naar-diamant een prototype is van een vaste-naar-vaste overgang, de kennis die uit dit werk is opgedaan, zou het begrip van vaste fysica en chemie onder hoge druk enorm ten goede moeten komen."

Grafiet, zeshoekige diamant, en kubieke diamant zijn allemaal koolstofallotropen, wat betekent dat ze zijn gemaakt van koolstofatomen die op verschillende manieren zijn gerangschikt. Grafiet bestaat uit op elkaar gestapelde lagen grafeen, waarvan de atomen zijn gerangschikt in een honingraatachtig rooster. Omdat de koolstofatomen in grafeen niet volledig gebonden zijn, grafeen is zacht en schilfert gemakkelijk, waardoor het ideaal is voor gebruik als potlood.

Beide soorten diamant, anderzijds, bestaan ​​uit koolstofatomen die allemaal de maximale vier bindingen hebben, wat verklaart waarom diamant zo hard is. In kubieke diamant (het soort dat meestal in sieraden wordt aangetroffen), de lagen zijn allemaal in dezelfde richting georiënteerd. In zeshoekige diamant, de lagen zijn afwisselend georiënteerd, waardoor het een zeshoekige symmetrie krijgt.

Onder hoge druk van meer dan 20 gigapascal (bijna 200, 000 keer atmosferische druk), theorie en experiment zijn het erover eens dat grafiet verandert in kubieke diamant, met wat zeshoekige diamant erin. Maar onder een druk van minder dan 20 gigapascal, simulaties hebben altijd voorspeld dat kubieke diamant het favoriete product zou moeten zijn, in tegenstelling tot experimenten.

Deze simulaties zijn gebaseerd op de voorspelling dat, bij deze druk, er is minder energie nodig om de kubische diamantkiemkern te vormen, of kern - het startpunt van diamantgroei - dan om de hexagonale diamantkern te vormen. Aangezien het vormen van deze kern de meest energieverslindende stap van het hele proces is, hieruit volgt dat de vorming van kubieke diamanten thermodynamisch gunstiger zou moeten zijn dan hexagonale diamant.

Maar een groot nadeel van deze simulaties is dat ze geen rekening houden met de interfaces tussen het grafiet en de diamantkernen:een roostermismatch tussen de twee oppervlakken kan een spanningsenergie veroorzaken die de stabiliteit van de groeiende diamant kan verstoren.

Met behulp van een nieuwe simulatie genaamd stochastisch lopen op het oppervlak, de onderzoekers in de nieuwe studie zouden alle mogelijke interfaces grondiger kunnen onderzoeken en er zeven kunnen identificeren die overeenkomen met de tussenstructuren met de laagste energie in de grafiet-naar-diamant-overgang.

Algemeen, de resultaten laten zien dat het grensvlak tussen grafiet en de hexagonale diamantkern minder gespannen en stabieler is dan het grensvlak met de kubische diamantkern. Het verklaren van de stabiliteit van deze interfaces kan eindelijk verklaren waarom hexagonale diamant zich veel gemakkelijker en sneller vormt dan kubische diamant bij matige druk.

De onderzoekers voegden eraan toe dat, hoewel kubieke diamant voor de gemiddelde persoon wenselijker lijkt dan zeshoekige diamant, beide materialen hebben hun voordelen.

"Hoewel kubieke diamant bekend is in het dagelijks leven en een zeer nuttig materiaal is, zeshoekige diamant kan ook erg handig zijn, " zei Liu. "Bijvoorbeeld, het werd door de theorie voorspeld dat het zelfs harder zou zijn dan kubieke diamant. Terwijl de zeshoekige diamant (lonsdaleite) in meteorieten te vinden is, de productie van grote zeshoekige diamantkristallen is niet in het experiment bereikt. Je zou daarom verwachten dat grote zeshoekige diamantkristallen, indien geproduceerd, zou zelfs kostbaarder zijn dan kubieke diamant."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan de simulaties verder te verbeteren door technieken uit neurale netwerken in te bouwen en door gebruik te maken van big data.

© 2017 Fys.org