Графит превращается в шестиугольный алмаз за пикосекунды
Фазовый переход графит-алмаз представляет особый интерес по фундаментальным причинам и широкому кругу приложений. В очень быстрых масштабах времени сжатия кинетика материала препятствует переходу от графита к равновесной кубической кристаллической структуре алмаза, которую мы обычно называем алмазом. Ударно-волновое сжатие графита обычно требует давления выше 50 ГПа (500 000 атмосфер), чтобы наблюдать фазовый переход во временной шкале экспериментов по ударному сжатию. Кроме того, гексагональный политип алмаза, называемый лонсдейлитом, наблюдался в ударно сжатом материале после столкновения с метеоритом, что позволяет предположить, что временной масштаб сжатия играет важную роль в фазовом переходе.
В новых экспериментах ученые из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) смоделировали условия формирования лонсдейлита, используя пикосекундное лазерное сжатие, и наблюдали переход с помощью современной характеристики материала с использованием фемтосекундных рентгеновских импульсов. Наблюдение лонсдейлита после ударного сжатия было постоянной загадкой, включая споры о том, существует ли гексагональный алмаз в виде протяженной структуры или это кубический алмаз с дефектами. Предыдущие исследования фазового перехода графита в алмаз или Лонсдейлит при умеренном ударном сжатии подтверждают бездиффузионный механизм фазового перехода, но в этих исследованиях не наблюдалась атомная структура при переходе, поэтому механизм превращения не был раскрыт.
«Лонсдейлит образуется при быстром сжатии, уникальном для ударного сжатия», — сказал ученый LLNL Майк Армстронг, ведущий автор статьи, опубликованной в специальном выпуске Shock Behavior of Materials журнала Applied Physics. «В течение десятилетий существовали предположения о механизмах и промежуточных состояниях этого фазового перехода и о том, почему он формируется только при быстром сжатии. Здесь мы показываем, что структура Лонсдейлита, вероятно, является промежуточным состоянием при фазовом переходе в кубический алмаз».
В экспериментах команда использовала уникальные возможности прибора «Материя в экстремальных условиях» на источнике когерентного света линейного ускорителя для изучения поведения фазового перехода углерода после скачка пикосекундного сжатия, за которым следует ~ 100 пс устойчивого сжатия. Эксперименты по сверхбыстрому сжатию использовались для исследования ранее неизвестных состояний вещества при экстремальном упругом сжатии, бездиффузионных фазовых переходов менее 100 пс и химии ударов, зависящей от скорости деформации, но реакция графита на сверхбыстрое сжатие ранее не исследовалась в пикосекундных временных масштабах.
«Эти эксперименты аналогичны ранним экспериментам во временной области для определения переходного состояния в физической химии», — сказал Армстронг. «Из-за очень короткой шкалы времени наблюдения в этом эксперименте можно наблюдать короткоживущие промежуточные продукты фазового перехода, аналогичные переходному состоянию в химических реакциях».
Члены команды увидели фазовый переход, когда фаза продукта тесно связана с начальной фазой. Они наблюдали сильно текстурированный, почти монокристаллический продукт в течение 20 пс после сжатия.
«Это подтверждает ранние предположения о том, что этот фазовый переход является бездиффузионным, и что Лонсдейлит может быть промежуточным звеном даже в переходе к равновесному конечному состоянию кубического алмаза», — сказал ученый LLNL Гарри Радуски, соавтор исследования. «Этот эксперимент обращается к десятилетиям предположений о природе этого фазового перехода, который был предметом значительной теоретической работы». В экспериментах были достигнуты масштабы времени и длины современного моделирования, которые обычно экстраполируются для сравнения с экспериментами в более длительном масштабе времени.
