De grafiet-diamant faseovergang is van bijzonder belang om fundamentele redenen en een breed scala aan toepassingen.

Op zeer snelle compressietijdschalen belemmert materiaalkinetiek de overgang van grafiet naar de evenwichts kubische diamantkristalstructuur die we gewoonlijk kennen als diamant. Schokgolfcompressie van grafiet vereist typisch drukken boven 50 GPa (500.000 atmosfeer) om de faseovergang op de tijdschaal van schokcompressie-experimenten te observeren. Verder is het hexagonale polytype van diamant, Lonsdaleite genaamd, waargenomen in schokgecomprimeerd materiaal na meteorietinslagen, wat suggereert dat de tijdschaal van compressie een sterke rol speelt bij de faseovergang.

In nieuwe experimenten hebben wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de omstandigheden van Lonsdaleite-vorming geëmuleerd met behulp van picoseconde tijdschaal lasercompressie en de overgang waargenomen met ultramoderne materiaalkarakterisering met behulp van femtoseconde röntgenpulsen.

De waarneming van Lonsdaleite na schokcompressie is een hardnekkig mysterie geweest, inclusief discussie over de vraag of hexagonale diamant bestaat als een uitgebreide structuur, of kubische diamant is met defecten. Eerdere studies van de faseovergang van grafiet naar diamant of Lonsdaleite onder matige schokcompressie ondersteunen een diffusieloos mechanisme voor de faseovergang, maar deze studies hebben geen atomaire structuur waargenomen tijdens de overgang, dus het transformatiemechanisme werd niet onthuld.

"Lonsdaleite wordt gevormd onder snelle compressie - uniek voor schokcompressie", zegt LLNL-wetenschapper Mike Armstrong, hoofdauteur van een artikel dat verschijnt in een speciaal Shock Behaviour of Materials-nummer van het Journal of Applied Physics . "Er wordt al tientallen jaren gespeculeerd over de mechanismen en tussentoestanden van deze faseovergang en waarom deze zich alleen onder snelle compressie vormt. Hier laten we zien dat de Lonsdaleite-structuur waarschijnlijk een tussentoestand is in de faseovergang naar kubische diamant.">

In de experimenten gebruikte het team het unieke vermogen van het Matter in Extreme Conditions-instrument op de Linac Coherent Light Source om het faseovergangsgedrag van koolstof te onderzoeken na een compressieschokstijging op picosecondeschaal gevolgd door ~ 100 ps aanhoudende compressie. Ultrasnelle compressie-experimenten zijn gebruikt om voorheen onbekende toestanden van materie te onderzoeken onder extreem elastische compressie, sub-100 ps diffusieloze faseovergangen en spanningssnelheidafhankelijke schokgeïnduceerde chemie, maar de reactie van grafiet op ultrasnelle compressie is niet eerder onderzocht op picoseconde tijdschalen .

"Deze experimenten zijn analoog aan experimenten in het vroege tijdsdomein om de overgangstoestand in de fysische chemie te identificeren," zei Armstrong. "Vanwege de zeer korte observatietijdschaal heeft dit experiment de mogelijkheid om kortstondige faseovergangstussenproducten te observeren, analoog aan de overgangstoestand in chemische reacties."

Teamleden zagen een faseovergang waarbij de productfase sterk gecorreleerd is met de beginfase. Ze observeerden een sterk gestructureerd, bijna eenkristalproduct binnen 20 ps na compressie.

"Dit bevestigt vroege speculaties dat deze faseovergang diffusieloos is en dat Lonsdaleite een tussenproduct kan zijn, zelfs bij de transformatie naar de evenwichtseindtoestand, kubieke diamant", zegt LLNL-wetenschapper Harry Radousky, een co-auteur van het onderzoek. "Dit experiment gaat in op decennia van speculatie over de aard van deze faseovergang, die het onderwerp is geweest van veel theoretisch werk."

De experimenten bereikten de tijd- en lengteschalen van state-of-the-art simulaties, die normaal worden geëxtrapoleerd om te worden vergeleken met experimenten op langere tijdschaal. + Verder verkennen

Onderzoek naar schokcompressie toont aan dat zeshoekige diamant kan dienen als meteoorinslagmarkering