Плавление графена оказалось возгонкой

Физики Московского физико-технического института вместе с российскими коллегами смогли уточнить кривую плавления графита, которая до этого была довольно противоречивой. Также ученые исследовали графен и выяснили, что его «плавление» на самом деле является возгонкой. Статья исследователей опубликована в журнале Carbon.

Графит — материал, который активно применяется в различных производствах, например, для защиты космических аппаратов от перегрева. Поэтому ученым важно знать о его физических свойствах при высоких температурах. Плавление этого материала начали исследовать еще в начале ХХ века. Около сотни исследований определяли температуру его плавления в диапазоне от 3 000 до 7 000 К. Это очень большой разброс, ведь непонятно, какой из результатов верен.

Российские ученые решили сравнить несколько компьютерных моделей и попытаться найти какие-то общие черты. Для этого они 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 авторы сравнили с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.

Работа исследователей показала, что существующие модели имеют большое количество неточностей. Но сравнение результатов разных теоретических моделей, и их перекрытие позволяет объяснить экспериментальные данные. 

Еще в 1960-е предсказывали, что на кривой плавления графита должен существовать максимум. Он говорит о сложном поведении жидкости — в ней должны происходить плавные изменения структуры. После этого в разных исследованиях эту часть кривой то находили, то говорили о ее отсутствии. Работа российских ученых показывает, что структура жидкого углерода над кривой плавления графена претерпевает изменения, а значит, максимум должен существовать.

Вторую часть работы ученые посвятили исследованию плавления графена. Ранее таких экспериментов не проводилось. До этого ученые предсказывали на основе компьютерного моделирования, что температура плавления графена — 4500 или 4900 K. Соответственно, двумерный углерод считали самым тугоплавким веществом в мире.

«Мы впервые показали, что “плавление” графена происходит неким странным образом, посредством образования линейных цепочек. Оказалось, 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.