Fysiker från Moskva institutet för fysik och teknik och Institutet för högtrycksfysik vid Ryska vetenskapsakademien har använt datormodellering för att förfina smältkurvan för grafit som har studerats i över 100 år, med inkonsekventa fynd. De fann också att grafen "smältning" är, faktiskt, sublimering. Resultaten av studien publiceras i tidskriften Kol .

Grafit används ofta inom industrin, t.ex. i värmesköldar för rymdfarkoster - så exakta uppgifter om dess beteende vid ultrahöga temperaturer är av yttersta vikt. Grafitsmältning har studerats sedan början av 1900-talet. Cirka 100 experiment har placerat grafitens smältpunkt vid olika temperaturer mellan 3, 000 och 7, 000 kelvin. Med en så stor spridning, det är oklart vilket nummer som är korrekt, och kan betraktas som den faktiska smältpunkten för grafit. Värdena som returneras av olika datormodeller skiljer sig också från varandra.

Ett team av fysiker från MIPT och HPPI RAS jämförde flera datormodeller för att försöka hitta matchande förutsägelser. Yuri Fomin och Vadim Brazhkin använde två metoder:klassisk molekylär dynamik och ab initio molekylär dynamik. Det senare står för kvantmekaniska effekter, gör det mer exakt. Nackdelen är att det bara handlar om interaktioner mellan ett litet antal atomer på korta tidsskalor. Forskarna jämförde de erhållna resultaten med tidigare experimentella och teoretiska data.

Fomin och Brazhkin fann att de befintliga modellerna var mycket felaktiga. Men det visade sig att jämföra resultaten från olika teoretiska modeller och hitta överlappningar kan ge en förklaring till experimentdata.

Så långt tillbaka som 1960-talet, grafitsmältningskurvan förutspåddes ha ett maximum. Dess existens pekar på komplext vätskebeteende, vilket innebär att vätskans struktur snabbt förändras vid upphettning eller förtätning. Upptäckten av max var mycket omtvistad, med ett antal studier som bekräftar och utmanar det om och om igen. Fomin och Brazhkins resultat visar att den flytande kolstrukturen genomgår förändringar över grafens smältkurva. Det maximala måste därför finnas.

Den andra delen av studien ägnas åt att studera grafens smältning. Inga grafensmältningsexperiment har utförts. Tidigare, datormodeller förutspådde grafens smältpunkt vid 4, 500 eller 4, 900 K. Tvådimensionellt kol ansågs därför ha den högsta smältpunkten i världen.

"I vår studie, vi observerade ett konstigt "smältande" beteende hos grafen, som bildade linjära kedjor. Vi visade att det som händer är att det övergår från ett fast ämne direkt till ett gasformigt tillstånd. Denna process kallas sublimering, " kommenterade docent Yuri Fomin vid institutionen för allmän fysik, MIPT. Fynden möjliggör en bättre förståelse av fasövergångar i lågdimensionella material, som anses vara en viktig komponent i många tekniker som för närvarande är under utveckling, inom områden från elektronik till medicin.

Forskarna tog fram en mer exakt och enhetlig beskrivning av hur grafitsmältningskurvan beter sig, bekräftar en gradvis strukturell övergång i flytande kol. Deras beräkningar visar att grafens smälttemperatur i en argonatmosfär ligger nära grafitens smälttemperatur.