Не плавление, а возгонка: исследование графена преподнесло очередной сюрприз

Ученые из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений им. Верещагина РАН с помощью компьютерного моделирования уточнили кривую плавления графита, изучение которой длится более ста лет и пестрит противоречивыми данными. Также они показали, что «плавление» графена на самом деле является возгонкой. Результаты опубликованы в журнале Carbon.

Графит — минерал, активно используемый в различных видах производств, в том числе для тепловой защиты космических аппаратов, поэтому точные сведения о его поведении при сверхвысоких температурах очень важны. Плавление графита начали исследовать еще в начале ХХ века. Около сотни экспериментальных работ в качестве температуры его плавления называли цифры в диапазоне от 3 000 до 7 000 К. Это очень большой разброс, непонятно, какой из цифр можно верить, какая из величин действительно температура плавления. Разные компьютерные модели тоже давали разные результаты.

Идеей исследователей было сравнить несколько компьютерных моделей и попытаться выделить какие-то общие предсказания. Для этого Юрий Фомин и Вадим Бражкин использовали два метода: классическую молекулярную динамику и первопринципную, которая учитывает квантово-механические эффекты. Первая дает неточности как раз из-за неучета квантовой механики. Вторая — из-за того, что учитывает взаимодействие только небольшого количества атомов и на коротком промежутке времени. Полученные результаты ученые сравнили с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.

Фомин и Бражкин показали, что существующие модели сильно неточны. Но сравнение результатов, полученных из разных теоретических моделей, и их перекрытие позволяет давать объяснение экспериментальным данным.

Еще в 1960-е предсказывали, что на кривой плавления графита должен существовать максимум Существование максимума на кривой плавления говорит о сложном поведении жидкости — в ней должны происходить плавные изменения структуры. Потом существование максимума то открывали, то закрывали. Результаты Фомина и Бражкина показывают, что структура жидкого углерода над кривой плавления графена претерпевает изменения, а значит, максимум должен существовать.

Вторая часть работы посвящена исследованию плавления графена. Экспериментов по плавлению графена нет. Ранее предсказывали на основе компьютерного моделирования, что температура плавления графена — 4500 или 4900 K. Соответственно, двумерный углерод считали самым тугоплавким веществом в мире.

«В нашей работе мы обратили внимание на то, что “плавление” графена происходит неким странным образом, посредством образования линейных цепочек. Мы показали, что на самом деле там наблюдается не плавление, а переход сразу в газообразное состояние — возгонка», — комментирует Юрий Фомин, доцент кафедры общей физики МФТИ. Этот результат позволяет лучше понять природу фазовых переходов в низкоразмерных углеродных материалах, которые рассматриваются как важные составные части многих разрабатываемых сейчас технологий — от электроники до медицины.

Исследователи обобщили и уточнили описание кривой плавления графита, подтвердили наличие плавного структурного перехода в жидком углероде. Их расчеты показали, что температура плавления графена в атмосфере аргона близка к температуре плавления графита.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» в НИЦ «Курчатовский институт»