(Phys.org) - Forskare har äntligen svarat på en fråga som har undvikit forskare i åratal:när de utsätts för måttligt höga tryck, varför förvandlas grafit till sexkantig diamant (även kallad lonsdaleit) och inte den mer välbekanta kubiska diamanten, enligt teorin?

Svaret beror till stor del på en hastighetsfråga - eller i kemiska termer, reaktionskinetiken. Med hjälp av en helt ny typ av simulering, forskarna identifierade de lägsta energibanorna i grafit-till-diamantövergången och fann att övergången till sexkantig diamant är cirka 40 gånger snabbare än övergången till kubisk diamant. Även när kubisk diamant börjar bildas, en stor mängd sexkantig diamant blandas fortfarande in.

Forskarna, Yao-Ping Xie, Xiao-Jie Zhang, och Zhi-Pan Liu vid Fudan University och Shanghai University i Shanghai, Kina, har publicerat sin studie om de nya simuleringarna av grafit-till-diamantövergången i ett nyligen utgåva av Journal of the American Chemical Society .

"Detta arbete löser det långvariga pusslet om varför sexkantig diamant företrädesvis tillverkas av grafit istället för den kubiska diamanten vid början av diamantbildning, "Berättade Liu Phys.org . "Med tanke på att grafit-till-diamant är en prototyp solid-till-solid övergång, kunskapen från detta arbete bör i hög grad gynna förståelsen av högtrycksfast fysik och kemi. "

Grafit, sexkantig diamant, och kubisk diamant är alla kolallotroper, vilket betyder att de är gjorda av kolatomer som är ordnade på olika sätt. Grafit består av staplade lager av grafen, vars atomer är arrangerade i ett bikakeliknande gitter. Eftersom kolatomerna i grafen inte är helt bundna, grafen är mjuk och flagnar lätt, vilket gör den idealisk för användning som blyertspenna.

Båda typerna av diamanter, å andra sidan, består av kolatomer som alla har högst fyra bindningar, vilket förklarar varför diamant är så hårt. I kubisk diamant (den typ som vanligtvis finns i smycken), skikten är alla orienterade i samma riktning. I sexkantig diamant, skikten är växelvis orienterade, ger den en sexkantig symmetri.

Under högt tryck på mer än 20 gigapascal (nästan 200, 000 gånger atmosfärstryck), teori och experiment är överens om att grafit förvandlas till kubisk diamant, med någon sexkantig diamant blandad. Men under tryck på mindre än 20 gigapascal, simuleringar har alltid förutspått att kubisk diamant ska vara den gynnade produkten, i kontrast till experiment.

Dessa simuleringar är baserade på förutsägelsen att, vid dessa påtryckningar, mindre energi krävs för att bilda den kubiska diamantkärnbildningskärnan, eller kärnan - utgångspunkten för diamanttillväxt - än att bilda den sexkantiga diamantkärnan. Eftersom bildandet av denna kärna är det mest energikrävande steget i hela processen, det följer att kubisk diamantbildning bör vara mer termodynamiskt gynnsammare än sexkantig diamant.

Men en stor nackdel med dessa simuleringar är att de inte tar hänsyn till gränsytorna mellan grafiten och diamantkärnorna:en ojämnhet mellan gitterna mellan de två ytorna kan framkalla en töjningsenergi som kan störa den växande diamantens stabilitet.

Med hjälp av en ny simulering som kallas stokastisk ytvandring, forskarna i den nya studien kunde mer noggrant utforska alla möjliga gränssnitt och identifiera sju av dem som motsvarar de lägsta energimellansstrukturerna i grafit-till-diamantövergången.

Övergripande, resultaten visar att gränssnittet mellan grafit och den sexkantiga diamantkärnan är mindre ansträngd och mer stabil än gränssnittet med den kubiska diamantkärnan. Att redogöra för stabiliteten hos dessa gränssnitt kan slutligen förklara varför sexkantiga diamanter bildas mycket lättare och snabbare än kubikdiamant vid måttligt tryck.

Forskarna tillade att, även om kubisk diamant kan tyckas vara mer önskvärd än sexkantig diamant för den genomsnittliga personen, båda materialen har sina fördelar.

"Även om kubisk diamant är bekant i vardagen och är ett mycket användbart material, sexkantig diamant kan också vara mycket användbar, "Sa Liu." Till exempel, det förutspåddes av teorin att vara ännu hårdare än kubikdiamant. Medan den sexkantiga diamanten (lonsdaleite) finns i meteoriter, produktionen av stora sexkantiga diamantkristaller har inte uppnåtts i experiment. Man kan därför förvänta sig att stora sexkantiga diamantkristaller, om den produceras, skulle vara ännu dyrare än kubisk diamant. "

I framtiden, forskarna planerar att ytterligare förbättra simuleringarna genom att införliva tekniker från neurala nätverk samt genom att använda stora data.

© 2017 Phys.org