Fasövergången grafit-diamant är av särskilt intresse av grundläggande skäl och ett brett spektrum av tillämpningar.

På mycket snabba komprimeringstidsskalor hindrar materialkinetik övergången från grafit till den kubiska diamantkristallstrukturen i jämvikt som vi vanligtvis känner som diamant. Stötvågskompression av grafit kräver vanligtvis tryck över 50 GPa (500 000 atmosfärer) för att observera fasövergången på tidsskalan för chockkompressionsexperiment. Vidare har den hexagonala polytypen av diamant som kallas Lonsdaleite observerats i chockkomprimerat material efter meteoritnedslag, vilket tyder på att tidsskalan för kompression spelar en stark roll i fasövergången.

I nya experiment har forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) efterliknat förhållandena för Lonsdaleite-bildning med hjälp av laserkompression i pikosekunder i tidsskala och observerat övergången med toppmodern materialkarakterisering med femtosekundsröntgenpulser.

Observationen av Lonsdaleite efter chockkompression har varit ett ihållande mysterium, inklusive debatt om huruvida hexagonal diamant existerar som en utökad struktur, eller är kubisk diamant med defekter. Tidigare studier av fasövergången av grafit till diamant eller Lonsdaleite under måttlig stötkompression stödjer en diffusionsfri mekanism för fasövergången, men dessa studier observerade inte atomstruktur genom övergången, så transformationsmekanismen avslöjades inte.

"Lonsdaleite bildas under snabb komprimering - unik för chockkompression", säger LLNL-forskaren Mike Armstrong, huvudförfattare till en artikel som visas i ett speciellt Shock Behavior of Materials-nummer av Journal of Applied Physics . "Det har spekulerats i årtionden om mekanismerna och mellantillstånden för denna fasövergång och varför den bara bildas under snabb kompression. Här visar vi att Lonsdaleite-strukturen sannolikt är ett mellantillstånd i fasövergången till kubisk diamant."

I experimenten använde teamet den unika förmågan hos Matter in Extreme Conditions-instrumentet på Linac Coherent Light Source för att utforska fasövergångsbeteendet hos kol efter en kompressionschockökning i pikosekundskala följt av ~100 ps ihållande kompression. Ultrasnabb kompressionsexperiment har använts för att undersöka tidigare okända tillstånd av materia under extrem elastisk kompression, sub-100 ps diffusionsfria fasövergångar och töjningshastighetsberoende chockinducerad kemi, men svaret av grafit på ultrasnabb kompression har inte tidigare undersökts på pikosekunders tidsskalor .

"Dessa experiment är analoga med tidiga domänexperiment för att identifiera övergångstillståndet i fysikalisk kemi," sa Armstrong. "På grund av den mycket korta observationstidsskalan har detta experiment förmågan att observera kortlivade fasövergångsintermediärer, analogt med övergångstillståndet i kemiska reaktioner."

Teammedlemmar såg en fasövergång där produktfasen är starkt korrelerad till den inledande fasen. De observerade högtexturerad, nästan enkristallprodukt inom 20 ps efter komprimering.

"Detta bekräftar tidiga spekulationer om att denna fasövergång är diffusionsfri, och att Lonsdaleite kan vara en mellanliggande kubisk diamant, även i omvandlingen till det slutliga jämviktstillståndet", säger LLNL-forskaren Harry Radousky, en medförfattare till studien. "Detta experiment tar upp decennier av spekulationer om karaktären av denna fasövergång, som har varit föremål för avsevärt teoretiskt arbete."

Experimenten uppnådde tids- och längdskalorna för state-of-the-art simuleringar, som normalt extrapoleras för att jämföra med experiment med längre tidsskala. + Utforska vidare

Forskning om chockkompression visar att sexkantig diamant kan fungera som meteornedslagsmarkör