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".

Источники

Графен
Tadviser.ru, 18/12/2019
Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении
Москва-ТуТ (moskva-tyt.ru), 18/12/2019
Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении
РИА Новости, 18/12/2019
Не плавление, а возгонка: исследование графена преподнесло очередной сюрприз - Naked Science
Naked Science (naked-science.ru), 18/12/2019
Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении
Российский фонд фундаментальных исследований (rfbr.ru), 19/12/2019
Исследование графена преподнесло очередной сюрприз
Wi-fi.ru, 21/12/2019
Исследование графена преподнесло очередной сюрприз
Индикатор (indicator.ru), 21/12/2019
Исследование графена преподнесло очередной сюрприз
Новости@Rambler.ru, 21/12/2019
Исследование графена преподнесло очередной сюрприз
Seldon.News (news.myseldon.com), 21/12/2019
Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении
Российский научный фонд (рнф.рф), 20/12/2019
Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении
Российский научный фонд (rscf.ru), 20/12/2019
Ученые МФТИ и ИФВД РАН построили кривые плавления графита и графена
1k.com.ua, 27/12/2019

Похожие новости

  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    2856
  • 16/10/2018

    Профессор Ильдар Габитов: электроника зашла в тупик

    ​Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры... Все это плоды одной и той же науки - фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, "Огоньку" рассказал профессор Сколтеха Ильдар Габитов.
    1240
  • 19/08/2019

    Физики показали возможность создания магнонных кристаллов

    ​Физики из России и Европы показали принципиальную возможность создания из системы «сверхпроводник — ферромагнетик» магнонных кристаллов — элементарных составляющих будущих посткремниевых электронных устройств, работающих на спиновых волнах.
    642
  • 20/07/2018

    Физики из России создали «лампочку» из оптоволокна, работающую в космосе

    ​Российские ученые создали прототип оптоволоконных источников света, способных работать в космосе и не разрушаться под действием радиации. "Инструкции" по их сборке были опубликованы в Journal of Lightwave Technology.
    833
  • 17/09/2018

    Большой адронный коллайдер и фундаментальные вопросы науки

    Россия пока не получила ни одного заказа при модернизации Большого адронного коллайдера, хотя раньше без нее ЦЕРН обойтись в принципе не мог. Ровно десять лет назад в Европейской лаборатории ядерных исследований (ЦЕРН) был запущен Большой адронный коллайдер.
    2301
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    1017
  • 23/07/2018

    Российские физики создали суперлюминесцентный световод для космических аппаратов

    Оптоволокно с добавкой висмута может стать мощным суперлюминесцентным источником излучения для инструментов и приборов, работающих в космосе.   Исследователи из Научного центра волоконной оптики (НЦВО) РАН и Института химии высокочистых веществ им.
    685
  • 06/11/2018

    Российские физики разработали новую микроволновую антенну

    ​Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза.
    1134
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    1400
  • 29/12/2018

    Самый большой российский телескоп будет изучать массивные звезды

    ​В Нижнем Архызе начались плановые астрономические наблюдения на БТА с обновленным шестиметровым зеркалом. Российские астрономы ждали этого больше 10 лет. В Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН), что находится в Нижнем Архызе в Карачаево-Черкесии, наконец-то возобновились плановые наблюдения на Большом азимутальном телескопе (БТА) с самым большим в Евразии шестиметровым зеркалом.
    1541