Simulações moleculares descobrem como a grafite emerge onde o diamante deve se formar, desafiando suposições antigas

A grafite encontrada em seu lápis favorita poderia ter sido o diamante que sua mãe sempre usa. O que fez a diferença? Os pesquisadores estão descobrindo.

Quão fundido carbono Cristaliza em grafite ou diamante é relevante para Ciência PlanetáriaManufatura de materiais e pesquisa de fusão nuclear. No entanto, esse momento de cristalização é difícil de estudar experimentalmente porque acontece muito rapidamente e sob condições extremas.

Em um novo estudo publicado 9 de julho em Comunicações da naturezapesquisadores da Universidade da Califórnia, Davis e George Washington College Use Simulações de computador Estudar como o carbono fundido se cristaliza em grafite ou diamante em temperaturas e pressões semelhantes ao inside da Terra. As descobertas da equipe desafiam a compreensão convencional da formação de diamantes e revelam por que os resultados experimentais que estudam o comportamento da fase do carbono têm sido tão inconsistentes.

Utilizando simulações moleculares de aprendizado de máquina, a equipe de pesquisa descobriu que o carbono líquido exibe comportamento de cristalização muito mais complexo do que se pensava anteriormente. Surpreendentemente, eles descobriram que a grafite-a forma macia e de carbono-pode se formar espontaneamente mesmo quando o diamante deve ser a fase estável, possivelmente “sequestrando” a formação de diamantes.

Simulando o inside da Terra

No estudo, a equipe forneceu uma imagem atomística de como esse processo é, preparando modelos a várias pressões de 5 a 30 gigapascals (GPA) quando o carbono fundido esfriou de 5.000 a 3.500 Kelvin (K). Donadio observou que essas condições podem ser obtidas em experimentos de aquecimento a laser.

Enquanto a equipe esperava obter carbono vítreo da extinção rápida do líquido, eles notaram cristalização espontânea. Em altas pressões, o carbono líquido se cristalizou em diamante e, a pressões mais baixas, cristalizou -se em grafite.

“Foi uma surpresa agradável, porque a cristalização normalmente simulando é muito mais complicada do que isso”, disse Donadio. “Você geralmente precisa usar alguns truques para obter o Simulações de dinâmica molecular para cristalizar. Ficamos ainda mais surpresos ao observar grafite cristalizando espontaneamente em pressões de até 15 GPA – condições onde o diamante deve ser a forma estável “.

O comportamento inesperado segue um princípio conhecido como regra de passo de Ostwald, que prevê que a cristalização às vezes prossegue através de fases metaestáveis ​​intermediárias, em vez de diretamente à forma mais estável. Os pesquisadores descobriram que a grafite atua como um trampolim na formação de diamantes, porque sua estrutura se assemelha mais a os padrões de densidade e ligação do Carbon Liquid.

“O carbono líquido acha essencialmente mais fácil se tornar grafite primeiro, embora o diamante seja, em última análise, mais estável nessas condições”, disse a co-autora Tianshu Li, professora de civil e Engenharia Ambiental na Universidade George Washington. “É a natureza seguindo o caminho de menor resistência”.

Diferenças na cristalização

Através das simulações, a equipe também revelou as estruturas moleculares do carbono líquido, pois cristalizou em grafite e, separadamente, como carbono líquido cristalizado em diamante. A grafite cristalizou em padrões semelhantes a colunas que eventualmente se alongaram para fora. Diamante cristalizado através de cristalitos compactos.

Esta pesquisa é responsável por discrepâncias de longa knowledge em experimentos de carbono de alta pressão, fornecendo uma nova estrutura para interpretar resultados que pareciam contraditórios.

Os resultados têm implicações para uma variedade de áreas. Eles ajudam a explicar por que a formação de diamante pure é rara e fornece novas idéias sobre o ciclo profundo do carbono que afeta o clima e a geologia da Terra sobre as escalas de tempo geológicas. Na fabricação de materiais, o entendimento dessas vias de cristalização pode melhorar a síntese de diamantes industriais, particularmente para aplicações especializadas como a computação quântica, onde o controle preciso sobre a estrutura cristalina é essencial.

“A cristalização é tão basic para a tecnologia, e os diamantes são extremamente úteis como materiais”, disse Donadio. “O trabalho é responsável pela presença de grafite onde você pode não esperar. “

Co-autores adicionais incluem Margaret L. Berrens, Wanyu Zhao e Shunda Chen.