Graphit verwandelt sich in Pikosekunden in hexagonalen Diamant

Der Phasenübergang Graphit-Diamant ist aus grundsätzlichen Gründen und einem breiten Anwendungsspektrum von besonderem Interesse.

Auf sehr schnellen Komprimierungszeitskalen verhindert die Materialkinetik den Übergang von Graphit zu der kubischen Diamantkristallstruktur im Gleichgewicht, die wir allgemein als Diamant kennen. Die Stoßwellenkompression von Graphit erfordert typischerweise Drücke über 50 GPa (500.000 Atmosphären), um den Phasenübergang auf der Zeitskala von Stoßkompressionsexperimenten zu beobachten. Darüber hinaus wurde der hexagonale Polytyp von Diamant namens Lonsdaleite in schockkomprimiertem Material nach Meteoriteneinschlägen beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Zeitskala der Kompression eine starke Rolle beim Phasenübergang spielt.

In neuen Experimenten haben Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) die Bedingungen der Lonsdaleite-Bildung mithilfe von Laserkompression im Pikosekundenbereich nachgebildet und den Übergang mit modernster Materialcharakterisierung mithilfe von Femtosekunden-Röntgenimpulsen beobachtet.

Die Beobachtung von Lonsdaleite nach Schockkompression war ein anhaltendes Rätsel, einschließlich der Debatte darüber, ob hexagonaler Diamant als ausgedehnte Struktur existiert oder kubischer Diamant mit Defekten ist. Frühere Studien des Phasenübergangs von Graphit zu Diamant oder Lonsdaleit unter mäßiger Schockkompression unterstützen einen diffusionslosen Mechanismus für den Phasenübergang, aber diese Studien beobachteten keine Atomstruktur während des Übergangs, sodass der Umwandlungsmechanismus nicht aufgedeckt wurde.

„Lonsdaleit wird unter schneller Kompression gebildet – einzigartig bei Schockkompression“, sagte LLNL-Wissenschaftler Mike Armstrong, Hauptautor eines Artikels, der in einer Sonderausgabe des Shock Behavior of Materials erscheint Zeitschrift für Angewandte Physik. „Seit Jahrzehnten wird über die Mechanismen und Zwischenzustände dieses Phasenübergangs spekuliert und warum er sich nur unter schneller Kompression bildet. Hier zeigen wir, dass die Lonsdaleit-Struktur wahrscheinlich ein Zwischenzustand beim Phasenübergang zu kubischem Diamant ist.“

In den Experimenten nutzte das Team die einzigartige Fähigkeit des Instruments Matter in Extreme Conditions auf der Linac Coherent Light Source, um das Phasenübergangsverhalten von Kohlenstoff nach einem Kompressionsstoßanstieg im Pikosekundenbereich, gefolgt von einer anhaltenden Kompression von ~100 ps, ​​zu untersuchen. Ultraschnelle Kompressionsexperimente wurden verwendet, um zuvor unbekannte Materiezustände unter extremer elastischer Kompression, diffusionslosen Phasenübergängen unter 100 ps und dehnungsratenabhängiger stoßinduzierter Chemie zu untersuchen, aber die Reaktion von Graphit auf ultraschnelle Kompression wurde bisher nicht auf Pikosekunden-Zeitskalen untersucht .

„Diese Experimente sind analog zu frühen Zeitdomänenexperimenten zur Identifizierung des Übergangszustands in der physikalischen Chemie“, sagte Armstrong. „Aufgrund der sehr kurzen Beobachtungszeitskala ist dieses Experiment in der Lage, kurzlebige Zwischenstufen des Phasenübergangs zu beobachten, analog zum Übergangszustand bei chemischen Reaktionen.“

Die Teammitglieder sahen einen Phasenübergang, bei dem die Produktphase stark mit der Anfangsphase korreliert ist. Sie beobachteten innerhalb von 20 ps nach der Kompression ein stark texturiertes, nahezu einkristallines Produkt.

„Dies bestätigt frühe Spekulationen, dass dieser Phasenübergang diffusionslos ist und dass Lonsdaleite ein Zwischenprodukt sein könnte, selbst bei der Umwandlung in den Gleichgewichts-Endzustand, kubischer Diamant“, sagte LLNL-Wissenschaftler Harry Radousky, ein Co-Autor der Studie. „Dieses Experiment befasst sich mit jahrzehntelangen Spekulationen über die Natur dieses Phasenübergangs, der Gegenstand beträchtlicher theoretischer Arbeiten war.“

Die Experimente erreichten die Zeit- und Längenskalen moderner Simulationen, die normalerweise extrapoliert werden, um sie mit Experimenten mit längeren Zeitskalen zu vergleichen.