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Il problema di trasformare la grafite in diamante
Convertire la grafite in diamante è stato un lungo sogno degli alchimisti di tutto il mondo. Nell'era moderna, gli scienziati dei materiali sono rimasti perplessi su questo processo perché è difficile capire perché la conversione sia così difficile.
Misura l'energia libera di grafite e diamante e scoprirai che sono più o meno la stessa cosa. Ciò implica che convertire l'uno nell'altro dovrebbe essere facile.
Eppure negli esperimenti, la conversione funziona solo a temperature ben al di sopra dei 1700K ea pressioni superiori a 12 GigaPascal. Non c'è da meravigliarsi, quindi, che il diamante sia così raro e prezioso
Ma perché la grafite dovrebbe essere così riluttante a fare il cambiamento? Oggi, Rustam Khaliullin dell'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo e alcuni amici dicono di pensare di sapere il perché. Questi ragazzi hanno creato un modello al computer del processo che ha identificato il motivo per cui il diamante è così riluttante a formarsi.
Gli scienziati dei materiali hanno creduto a lungo che il processo di conversione dovesse iniziare con la nucleazione del diamante nella grafite seguita dalla crescita. È facile immaginare che un tale processo sarebbe semplice da modellare dai primi principi su un computer.
Non è stato così. L'energia superficiale del diamante è estremamente alta, quindi i piccoli diamanti di pochi atomi non possono formarsi facilmente (l'energia superficiale è semplicemente troppo alta).
Ciò significa che il seme iniziale nella nucleazione del diamante deve consistere di decine di migliaia di atomi di carbonio. Sono troppi per qualsiasi simulazione al computer standard dai primi principi.
Khaliullin e i suoi amici hanno un approccio diverso. Usano una rete neurale per simulare la potenziale superficie di energia che esiste attraverso i fogli di grafite mentre vengono flessi. Questo approccio ignora i dettagli di ciascun legame di carbonio e si concentra invece sulla struttura molecolare più generale.
In questo modo, la simulazione può far fronte alle decine o addirittura centinaia di migliaia di atomi richiesti. Khaliullin e co affermano che ciò ha permesso loro di eseguire il primo studio atomistico della nucleazione omogenea del diamante dalla grafite
I risultati sono intriganti. Per formare il diamante, gli anelli esagonali in grafite devono prima deformarsi. Ci sono essenzialmente due modi in cui un anello esagonale può deformarsi. Le estremità opposte dell'esagono possono entrambe flettersi verso l'alto formando una forma simile a una barca; oppure un'estremità dell'esagono può flettersi verso l'alto e l'altra verso il basso formando una forma a sedia.
Khaliullin e co mostrano che a basse pressioni, inferiori a 10GPa, gli anelli esagonali in grafite tendono a formare la struttura a barchetta. Quando ciò accade, la grafite si forma in un allotropo metastabile di carbonio chiamato diamante esagonale.
Questo, dicono, è il motivo per cui il diamante è così difficile da realizzare: il carbonio preferisce formarsi in una diversa struttura esagonale.
In effetti, questo è esattamente ciò che accade negli esperimenti quando la grafite viene compressa e riscaldata al di sotto delle temperature critiche per la formazione del diamante. Il diamante esagonale si trova talvolta anche nei meteoriti.
Khaliullin e co. proseguono dimostrando che ad alte pressioni si formano gli esagoni a forma di sedia e che questi seminano la formazione del diamante. Mostrano anche che all'aumentare della pressione, si riduce anche la dimensione del seme di diamante necessario per innescare la nucleazione. Ecco perché il diamante si forma molto più facilmente a 50 GPa che a 20 GPa.
Ciò non renderà più facile trasformare il carbone in gioielli. Ma offre agli scienziati dei materiali una nuova visione di uno dei problemi più interessanti che li hanno lasciati perplessi negli ultimi anni.
Rif: arxiv.org/abs/1101.1406 : Meccanismo di nucleazione per la transizione di fase diretta da grafite a diamante