La transition de phase graphite-diamant présente un intérêt particulier pour des raisons fondamentales et un large éventail d’applications.
Sur des échelles de temps de compression très rapides, la cinétique des matériaux entrave la transition du graphite à la structure cristalline de diamant cubique à l’équilibre que nous appelons communément le diamant. La compression par onde de choc du graphite nécessite généralement des pressions supérieures à 50 GPa (500 000 atmosphères) pour observer la transition de phase sur l’échelle de temps des expériences de compression par choc. De plus, le polytype hexagonal de diamant appelé Lonsdaleite a été observé dans un matériau comprimé par choc à la suite d’événements d’impact de météorite, ce qui suggère que l’échelle de temps de la compression joue un rôle important dans la transition de phase.
Dans de nouvelles expériences, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont émulé les conditions de formation de la lonsdaleite en utilisant une compression laser à l’échelle de temps picoseconde et ont observé la transition avec une caractérisation de matériau de pointe à l’aide d’impulsions de rayons X femtoseconde.
L’observation de la lonsdaleite suite à la compression par choc a été un mystère persistant, y compris un débat sur la question de savoir si le diamant hexagonal existe en tant que structure étendue ou s’il s’agit d’un diamant cubique avec des défauts. Des études antérieures sur la transition de phase du graphite au diamant ou à la lonsdaleite sous compression de choc modérée soutiennent un mécanisme sans diffusion pour la transition de phase, mais ces études n’ont pas observé la structure atomique à travers la transition, de sorte que le mécanisme de transformation n’a pas été révélé.
« La lonsdaleite se forme sous une compression rapide, unique à la compression par choc », a déclaré le scientifique du LLNL Mike Armstrong, auteur principal d’un article paru dans un numéro spécial Shock Behavior of Materials du magazine Journal de physique appliquée. « Il y a eu des spéculations pendant des décennies sur les mécanismes et les états intermédiaires de cette transition de phase et pourquoi elle ne se forme que sous compression rapide. Ici, nous montrons que la structure lonsdaleite est probablement un état intermédiaire dans la transition de phase vers le diamant cubique. »
Dans les expériences, l’équipe a utilisé la capacité unique de l’instrument Matter in Extreme Conditions sur la source de lumière cohérente Linac pour explorer le comportement de transition de phase du carbone après une augmentation du choc de compression à l’échelle picoseconde suivie d’environ 100 ps de compression soutenue. Des expériences de compression ultrarapide ont été utilisées pour étudier des états de la matière jusque-là inconnus sous une compression élastique extrême, des transitions de phase sans diffusion inférieures à 100 ps et une chimie induite par un choc dépendant de la vitesse de déformation, mais la réponse du graphite à une compression ultrarapide n’a pas encore été étudiée sur échelles de temps picoseconde .
« Ces expériences sont analogues aux premières expériences dans le domaine temporel pour identifier l’état de transition en chimie physique », a déclaré Armstrong. « En raison de la très courte échelle de temps d’observation, cette expérience a la capacité d’observer des intermédiaires de transition de phase de courte durée, analogues à l’état de transition dans les réactions chimiques. »
Les membres de l’équipe ont vu une transition de phase où la phase du produit est fortement corrélée à la phase initiale. Ils ont observé un produit hautement texturé, presque monocristallin, dans les 20 ps après compression.
« Cela confirme les premières spéculations selon lesquelles cette transition de phase est sans diffusion et que la lonsdaleite pourrait être un intermédiaire, même dans la transformation vers l’état final d’équilibre, le diamant cubique », a déclaré le scientifique du LLNL Harry Radousky, co-auteur de l’étude. « Cette expérience aborde des décennies de spéculation sur la nature de cette transition de phase, qui a fait l’objet de travaux théoriques considérables. »
Les expériences ont atteint les échelles de temps et de longueur des simulations de pointe, qui sont normalement extrapolées pour être comparées à des expériences à plus longue échelle de temps.
Michael R. Armstrong et al, Transition de phase du graphite hautement ordonné (HOPG) au diamant hexagonal (lonsdaleite) observée sur des échelles de temps picosecondes à l’aide de la diffraction ultrarapide des rayons X, Journal de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0085297