Российским ученым впервые удалось построить кривые плавления графита и графена — двух самых тугоплавких материалов в мире. Оказалось, что графен не плавится в прямом смысле этого слова, а сразу переходит из твердого состояния в газообразное, то есть «плавление» графена на самом деле является возгонкой. Результаты опубликованы в журнале Carbon.

Несмотря на широкое применение графита в самых различных сферах, где имеют место сверхвысокие температуры, детали процесса его плавления до последнего времени оставались неясными. Практически неисследованным был и процесс плавления графена.

Ученые из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН с помощью компьютерного моделирования построили кривые плавления этих важных для промышленности и инновационных технологий материалов.

Графит — минерал, активно используемый в различных видах производств, в том числе в металлургии и для тепловой защиты космических аппаратов, поэтому точные сведения о его поведении при сверхвысоких температурах очень важны. Плавление графита начали изучать еще в начале ХХ века. Около сотни экспериментальных работ в качестве температуры плавления называли цифры в диапазоне от 3000 до 7000 градусов Кельвина. Понятно, что при таком огромном разбросе результаты экспериментов не вызывали доверия. Самые разные значения температур плавления давали и компьютерные модели.

Идея авторов исследования, Юрия Фомина и Вадима Бражкина заключалась в том, чтобы сравнить результаты нескольких компьютерных моделей, построенных с помощью двух различных методов: классической молекулярной динамики и первопринципных расчетов, учитывающих квантово-механические эффекты.

Дело в том, что первый метод дает неточности из-за неучета квантовой механики, а второй — из-за того, что учитывает взаимодействие только небольшого количества атомов и на коротком промежутке времени. Сравнение результатов, полученных из разных теоретических моделей, позволило авторам найти объяснение экспериментальным результатам.

Еще в 1960-е годы было предсказано, что на кривой плавления графита должен существовать максимум — структурный переход, в котором происходит плавное изменение структуры. Потом существование этого структурного перехода то подтверждали, то опровергали. Результаты Фомина и Бражкина показывают, что структура жидкого углерода над кривой плавления графита претерпевает изменения, а значит, максимум существует.

Вторая часть работы была посвящена исследованию процесса плавления графена. Экспериментов по плавлению графена нет. Компьютерные модели дают температуру плавления от 4500 до 4900 градусов Кельвина. Расчеты авторов исследования показывают, что температура плавления графена в атмосфере аргона близка к температуре плавления графита, но сам процесс имеет одну особенность.

«В нашей работе мы обратили внимание на то, что "плавление» графена происходит неким странным образом — посредством образования линейных цепочек. Мы показали, что на самом деле там наблюдается не плавление, а переход сразу в газообразное состояние — возгонка", — приводятся в пресс-релизе института слова Юрия Фомина, доцента кафедры общей физики МФТИ.

Результаты исследования позволяют лучше понять природу фазовых переходов в углеродных наноматериалах, которые рассматриваются как важные составные части многих разрабатываемых технологий — от электроники до медицины.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» в НИЦ «Курчатовский институт».