211service.com
Het probleem met het omzetten van grafiet in diamant
Het omzetten van grafiet in diamant is een lang gekoesterde droom van alchemisten over de hele wereld. In het moderne tijdperk hebben materiaalwetenschappers zich over dit proces verbaasd, omdat het moeilijk is uit te zoeken waarom de conversie zo moeilijk is.
Meet de vrije energie van grafiet en diamant en je zult zien dat ze min of meer hetzelfde zijn. Dat impliceert dat het omzetten van het een in het ander gemakkelijk zou moeten zijn.
En toch werkt de conversie in experimenten alleen bij temperaturen ver boven 1700K en bij drukken van meer dan 12 GigaPascals. Het is dan ook geen wonder dat die diamant zo zeldzaam en waardevol is
Maar waarom zou grafiet zo terughoudend zijn om de verandering aan te brengen? Vandaag zeggen Rustam Khaliullin van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Zürich en een paar vrienden dat ze denken te weten waarom. Deze jongens hebben een computermodel van het proces gemaakt dat de reden heeft geïdentificeerd waarom diamant zo terughoudend is om zich te vormen.
Materiaalwetenschappers hebben lang geloofd dat het conversieproces moet beginnen met kiemvorming van diamant in grafiet, gevolgd door groei. Het is gemakkelijk voor te stellen dat een dergelijk proces eenvoudig te modelleren is vanaf de eerste principes op een computer.
Dat is niet het geval gebleken. De oppervlakte-energie van diamant is extreem hoog, zodat kleine diamanten van slechts een paar atomen zich niet gemakkelijk kunnen vormen (de oppervlakte-energie is gewoon te hoog).
Dat betekent dat het initiële zaad in de kiemvorming van diamanten tienduizenden koolstofatomen moet zijn. Dat is te veel voor elke standaard computersimulatie vanaf de eerste principes.
Khaliullin en vrienden pakken het anders aan. Ze gebruiken een neuraal netwerk om het potentiële energieoppervlak te simuleren dat overal in grafietplaten bestaat terwijl ze worden gebogen. Deze benadering negeert de details van elke koolstofbinding en richt zich in plaats daarvan op de meer algemene moleculaire structuur.
Zo kan de simulatie de benodigde tien- of zelfs honderdduizenden atomen aan. Khaliullin en co zeggen dat dit hen in staat heeft gesteld de eerste atomistische studie uit te voeren van homogene diamantkiemvorming uit grafiet
De resultaten zijn intrigerend. Om diamant te vormen, moeten de zeshoekige ringen in grafiet eerst vervormen. Er zijn in wezen twee manieren waarop een zeshoekige ring kan kromtrekken. Tegenoverliggende uiteinden van de zeshoek kunnen beide omhoog buigen en een bootachtige vorm vormen; of het ene uiteinde van de zeshoek kan naar boven buigen en het andere naar beneden en een stoelachtige vorm vormen.
Khaliullin en co laten zien dat bij lage drukken, onder 10GPa, de hexagonale ringen in grafiet de neiging hebben om de bootvormige structuur te vormen. Wanneer dit gebeurt, vormt het grafiet een metastabiele allotroop van koolstof, hexagonaal diamant genoemd.
Dit, zeggen ze, is de reden waarom diamant zo moeilijk te maken is: koolstof geeft er de voorkeur aan zich te vormen tot een andere hexagonale structuur.
In feite is dit precies wat er gebeurt in experimenten wanneer grafiet wordt gecomprimeerd en verwarmd tot onder de kritische diamantvormende temperaturen. Zeshoekige diamant wordt soms ook gevonden in meteorieten.
Khaliullin en co laten verder zien dat bij hoge druk de stoelvormige zeshoeken zich vormen en dat deze de vorming van diamant zaaien. Ze laten ook zien dat naarmate de druk toeneemt, de grootte van het diamantzaad dat nodig is om kiemvorming te veroorzaken, ook krimpt. Daarom vormt diamant zich veel gemakkelijker bij 50 GPa dan bij 20 GPa.
Dat maakt het er niet makkelijker op om van steenkool sieraden te maken. Maar het geeft materiaalwetenschappers wel een nieuw inzicht in een van de interessantere problemen die hen de afgelopen jaren hebben beziggehouden.
Referentie: arxiv.org/abs/1101.1406 : Nucleatiemechanisme voor de directe overgang van grafiet-naar-diamantfase