Prof. Wu HengAns team från University of Science and Technology i Kina har presenterat sex representativa faser av amorfa kol baserade på storskaliga simuleringar av molekylär dynamik (MD) för att uppnå ett omfattande mikrostrukturellt landskap av amorfa kol.
Dessa faser inkluderar oordnat grafennätverk (DGN), högdensitet amorft kol (HDAC), amorf diafit (a-DG), amorf diamant (a-D), parakristallin diamant (p-D) respektive nanopolykristallin diamant (NPD). Teamet genomförde en grundlig analys av de mikrostrukturella topologiska egenskaperna och deras bidrag till kort till medeldistans ordning.
Noterbart är att a-DG uppvisar hybridegenskaper av amorf grafit och atomärt oordnad diamant, medan p-D visar många diamantliknande nanonuki fördelade i en amorf matris.
Deras mikrostrukturella topologiska egenskaper har en slående likhet med de nyligen syntetiserade amorfa kolen i experiment, och denna överensstämmelse tyder på att de simulerade modellerna effektivt kan fånga de olika mikrostrukturerna som observerats i experimentellt framställda amorfa kol.
Dessutom genomförde teamet en omfattande analys genom att jämföra simuleringsdata med experimentella observationer, vilket ledde till utvecklingen av ett fasdiagram i sp 3 /sp 2 kontra densitetsplanet.
Fasdiagrammet avslöjade spännande mönster som kännetecknas av oväntade diskontinuiteter, som härrör från inneboende skillnader i den mikrostrukturella topologin för olika typer av amorfa kol. Intressant nog upptäckte teamet en anpassad maktlag:log(sp 3 /sp 2 ) ~ ρ n , där olika värden på 'n' indikerar att den mikrostrukturella stabiliteten hos amorfa kol kan regleras genom att manipulera sp 3 /sp 2 förhållande under specifika temperatur-tryckförhållanden.
Trots betydande variationer i störning i atomär skala till följd av förändringar i densitet, temperatur och tryck, är det fortfarande möjligt att särskilja olika typer av amorfa kol genom de korta/medelstora ordnade topologiska mikrostrukturerna. Denna klassificeringsmetod banar väg för ytterligare undersökningar av de mekaniska egenskaperna och andra relevanta egenskaper hos amorfa kol.
Vidare undersökte forskarna möjliga fasövergångsvägar mellan olika typer av amorft kol baserat på det diskontinuerliga fasdiagrammet. De upptäckte att genom glödgning av DGN under högtemperatur- och högtrycksförhållanden kan typiska amorfa kolstrukturer såsom a-DG, a-D och p-D erhållas. Dessutom observerades en reversibel fasövergång mellan DGN och HDAC, i överensstämmelse med de senaste beräkningarna av de första principerna.
Därför kan det finnas rikligt med ännu oupptäckta fasövergångar och mikrostrukturella utvecklingar mellan olika typer av amorft kol under lämpliga temperatur-tryckförhållanden. Uppföljningsforskningens mål är att undersöka mekanismerna som styr dessa fasövergångar, vilket ger värdefulla teoretiska insikter för experimentell syntes av amorfa kolmaterial.
Arbetet publiceras i tidskriften National Science Review .
Mer information: YinBo Zhu et al, Discontinuous phase diagram of amorphous carbons, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae051
Tillhandahålls av Science China Press
