Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении

18 Декабря 2019

МОСКВА, 18 декабря - Российским ученым впервые удалось построить кривые таяния графита и графена — двух самых тугоплавких материалов в мире. Оказалось, что графен не плавится в прямом проке этого слова, а сразу переходит из твердого состояния в газообразное, то есть плавление графена на самом деле является возгонкой. Результаты опубликованы в журнале.

Несмотря на широкое внедрение графита в самых различных сферах, где имеют место гипервысокие температуры, детали процесса его плавления до последнего времени держались неясными. Практически неисследованным был и процесс плавления графена.

Ученые из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН с помощью компьютерного моделирования сотворили кривые плавления этих важных для промышленности и инновационных технологий материалов.

Графит — минерал, активно используемый в различных видах производств, в том числе в металлургии и для тепловой защиты галлактических аппаратов, поэтому точные сведения о его поведении при гипервысоких температурах очень важны. Плавление графита начали изучать еще в начале ХХ века. Около сотни экспериментальных работ в уровень качестве температуры плавления называли цифры в диапазоне от 3000 до 7000 градусов Кельвина. Понятно, что при таком огромном разбросе результаты экспериментов не вызывали доверия. Самые разные значения температур плавления давали и компьютерные модели.

Идея авторов исследования, Юрия Фомина и Вадима Бражкина заключалась в том, чтобы сравнить продукты нескольких компьютерных моделей, сотворённых с помощью двух различных вариантов: классической молекулярной динамики и первопринципных расчетов, учитывающих квантово-механические эффекты.

Дело в том, что первый метод дает неточности из-за неучета квантовой механики, а второй — из-за того, что учитывает взаимодействие только малого количества атомов и на коротком промежутке времени. Сравнение продуктов, полученных из разных духовных моделей, позволило авторам прочесть объяснение экспериментальным результатам.

Еще в 1960-е годы было предсказано, что на кривой плавления графита должен существовать максимум — структурный переход, в котором происходит плавное изменение структуры. Потом существование этого структурного перехода то подкрепляли, то опровергали. Результаты Фомина и Бражкина показывают, что структура жидкого углерода над кривой плавления графита претерпевает корректирования, а значит, максимум существует.

Вторая часть работы была посвящена исследованию процесса плавления графена. Экспериментов по плавлению графена нет. Компьютерные модели дают температуру плавления от 4500 до 4900 градусов Кельвина.

Расчеты авторов исследования предъявляют, что температура плавления графена в атмосфере аргона близка к температуре плавления графита, но сам процесс имеет одну изюминка.

В нашей работе мы обратили уважение на то, что плавление графена происходит неким странным образом — посредством образования линейных цепей. Мы показали, что на самом деле там наблюдается не плавление, а переход сразу в газообразное состояние — возгонка, — приводятся в пресс-релизе института слова Юрия Фомина, доцента кафедры общей радиофизики МФТИ.

Результаты исследования позволяют лучше усвоить природу фазовых переходов в углеродных наноматериалах, которые рассматриваются как важные составные части многих строимых технологий — от электроники до медицины.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного распоряжения Комплекс моделирования и обработки таких исследовательских установок мега-класса в НИЦ Курчатовский институт.

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении

комментарии (0)

Другие интересные новости

В Волгограде покажут фильм о фестивале "RT.Док: Время героев"