Das Team von Prof. Wu HengAn von der University of Science and Technology of China hat sechs repräsentative Phasen amorpher Kohlenstoffe auf der Grundlage groß angelegter Molekulardynamiksimulationen (MD) vorgestellt und so eine umfassende mikrostrukturelle Landschaft amorpher Kohlenstoffe erstellt.
Zu diesen Phasen gehören ungeordnetes Graphennetzwerk (DGN), hochdichter amorpher Kohlenstoff (HDAC), amorpher Diaphit (a-DG), amorpher Diamant (aD), parakristalliner Diamant (pD) bzw. nanopolykristalliner Diamant (NPD). Das Team führte eine gründliche Analyse der mikrostrukturellen topologischen Eigenschaften und ihrer Beiträge zur Ordnung im Nah- und Mittelbereich durch.
Bemerkenswert ist, dass das a-DG hybride Merkmale aus amorphem Graphit und atomar ungeordnetem Diamant aufweist, während das pD zahlreiche diamantähnliche Nanokerne aufweist, die in einer amorphen Matrix verteilt sind.
Ihre mikrostrukturellen topologischen Eigenschaften weisen eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit den in Experimenten neu synthetisierten amorphen Kohlenstoffen auf, und diese Konsistenz legt nahe, dass die simulierten Modelle die verschiedenen Mikrostrukturen, die in experimentell hergestellten amorphen Kohlenstoffen beobachtet wurden, effektiv erfassen können.
Darüber hinaus führte das Team eine umfassende Analyse durch, indem es Simulationsdaten mit experimentellen Beobachtungen verglich, was zur Entwicklung eines Phasendiagramms in der sp3/sp2-Ebene gegenüber der Dichteebene führte.
Das Phasendiagramm enthüllte faszinierende Muster, die durch unerwartete Diskontinuitäten gekennzeichnet sind, die auf inhärente Unterschiede in der Mikrostrukturtopologie verschiedener Arten amorpher Kohlenstoffe zurückzuführen sind. Interessanterweise entdeckte das Team ein angepasstes Potenzgesetz: log(sp3/sp2) ~ ρn, wobei unterschiedliche Werte von „n“ darauf hinweisen, dass die mikrostrukturelle Stabilität amorpher Kohlenstoffe durch Manipulation des sp3/sp2-Verhältnisses unter einem bestimmten Temperatur-Druck reguliert werden kann Bedingungen.
Trotz erheblicher Unterschiede in der Unordnung auf atomarer Ebene, die sich aus Änderungen der Dichte, der Temperatur und des Drucks ergeben, ist es immer noch möglich, verschiedene Arten amorpher Kohlenstoffe anhand der kurz-/mittelreichweitig geordneten topologischen Mikrostrukturen zu unterscheiden. Dieser Klassifizierungsansatz ebnet den Weg für weitere Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften und anderer relevanter Eigenschaften amorpher Kohlenstoffe.
Darüber hinaus untersuchten die Forscher mögliche Phasenübergangspfade zwischen verschiedenen Arten von amorphem Kohlenstoff anhand des diskontinuierlichen Phasendiagramms. Sie entdeckten, dass durch Tempern von DGN unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen typische amorphe Kohlenstoffstrukturen wie a-DG, aD und pD erhalten werden können. Darüber hinaus wurde ein reversibler Phasenübergang zwischen DGN und HDAC beobachtet, der mit jüngsten First-Principles-Berechnungen übereinstimmt.
Daher kann es unter geeigneten Temperatur-Druck-Bedingungen zu zahlreichen, noch unentdeckten Phasenübergängen und mikrostrukturellen Entwicklungen zwischen verschiedenen Arten von amorphem Kohlenstoff kommen. Das nachfolgende Forschungsziel besteht darin, die Mechanismen dieser Phasenübergänge zu untersuchen und wertvolle theoretische Erkenntnisse für die experimentelle Synthese amorpher Kohlenstoffmaterialien zu liefern.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch National Science Review.
Mehr Informationen:
YinBo Zhu et al, Diskontinuierliches Phasendiagramm amorpher Kohlenstoffe, National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae051