Natuurkundigen van het Moscow Institute of Physics and Technology en het Institute for High Pressure Physics van de Russische Academie van Wetenschappen hebben computermodellering gebruikt om de smeltcurve van grafiet te verfijnen die al meer dan 100 jaar wordt bestudeerd, met inconsistente bevindingen. Ze ontdekten ook dat grafeen "smelten" is, in feite, sublimatie. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof .

Grafiet wordt veel gebruikt in de industrie, bijvoorbeeld in hitteschilden voor ruimtevaartuigen, dus nauwkeurige gegevens over het gedrag ervan bij ultrahoge temperaturen zijn van het grootste belang. Het smelten van grafiet wordt sinds het begin van de 20e eeuw bestudeerd. Ongeveer 100 experimenten hebben het grafietsmeltpunt bij verschillende temperaturen tussen 3, 000 en 7, 000 Kelvin. Met een spreiding zo groot, het is onduidelijk welk nummer juist is, en kan worden beschouwd als het werkelijke smeltpunt van grafiet. De waarden die door verschillende computermodellen worden geretourneerd, zijn ook in tegenspraak met elkaar.

Een team van natuurkundigen van MIPT en HPPI RAS vergeleek verschillende computermodellen om de overeenkomende voorspellingen te vinden. Yuri Fomin en Vadim Brazhkin gebruikten twee methoden:klassieke moleculaire dynamica en ab initio moleculaire dynamica. De laatste is goed voor kwantummechanische effecten, nauwkeuriger maken. Het nadeel is dat het alleen betrekking heeft op interacties tussen een klein aantal atomen op korte tijdschalen. De onderzoekers vergeleken de verkregen resultaten met eerdere experimentele en theoretische gegevens.

Fomin en Brazhkin vonden de bestaande modellen zeer onnauwkeurig. Maar het bleek dat het vergelijken van de resultaten van verschillende theoretische modellen en het vinden van overlappingen een verklaring kan bieden voor de experimentele gegevens.

Al in de jaren 60, de grafietsmeltcurve werd voorspeld een maximum te hebben. Het bestaan ​​ervan wijst op complex vloeistofgedrag, wat betekent dat de structuur van de vloeistof snel verandert bij verhitting of verdichting. De ontdekking van het maximum werd zwaar betwist, met een aantal onderzoeken die het keer op keer bevestigen en uitdagen. De resultaten van Fomin en Brazhkin laten zien dat de vloeibare koolstofstructuur veranderingen ondergaat boven de smeltcurve van grafeen. Het maximum moet dus bestaan.

Het tweede deel van de studie is gewijd aan het bestuderen van het smelten van grafeen. Er zijn geen grafeensmeltexperimenten uitgevoerd. Eerder, computermodellen voorspelden het smeltpunt van grafeen op 4, 500 of 4, 900 K. Tweedimensionale koolstof werd daarom beschouwd als het hoogste smeltpunt ter wereld.

"In onze studie we observeerden een vreemd 'smelt'-gedrag van grafeen, die lineaire ketens vormden. We hebben laten zien dat wat er gebeurt, is dat het overgaat van een vaste stof direct naar een gasvormige toestand. Dit proces wordt sublimatie genoemd, ", zegt universitair hoofddocent Yuri Fomin van de afdeling Algemene Natuurkunde, MIPT. De bevindingen maken een beter begrip mogelijk van faseovergangen in laagdimensionale materialen, die worden beschouwd als een belangrijk onderdeel van veel technologieën die momenteel in ontwikkeling zijn, op gebieden van elektronica tot medicijnen.

De onderzoekers produceerden een meer nauwkeurige en uniforme beschrijving van hoe de grafietsmeltcurve zich gedraagt, bevestiging van een geleidelijke structurele overgang in vloeibare koolstof. Hun berekeningen laten zien dat de smelttemperatuur van grafeen in een argonatmosfeer dicht bij de smelttemperatuur van grafiet ligt.