Графен испаряется вместо плавления

6 января 2020
94

Российским ученым удалось уточнить их при помощи компьютерного моделирования, а также установить, что графен на самом деле не плавится, а возгоняется, результаты изложили в журнале Carbon. Графит, который каждый из нас привык видеть в стержне карандаша, широко используется в машиностроении — например, в головных обтекателях космических кораблей. Для таких применений его физические характеристики, особенно устойчивость к перепадам температур и давлений, крайне важны. Но с прошлого века до наших дней около сотни экспериментальных исследований давали противоречивые результаты, помещая температуру плавления этого материала между 3000 и 7000 градусами по Кельвину (такая же шкала, как и градусы Цельсия, но с отсчетом от абсолютного нуля). Физики из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений РАН рассчитали температуру плавления графита, используя не только классическую молекулярную динамику, но и неэмпирическую, которая учитывает квантовые эффекты.

Ученые обнаружили, что существующие модели очень неточны, однако их сравнение и пересечения помогают найти объяснение экспериментальных данных. Если с 1960-х годов считалось, что кривая плавления графита имеет точку максимума. Это предполагает, что структура полученной жидкости быстро меняется из-за уплотнения или нагревания. Наличие точки максимума было предметом научных споров на протяжении десятилетий, и эксперименты то подтверждали, то опровергали его. Исследователи Юрий Фомин и Вадим Бражкин обнаружили, что жидкие углеродные структуры должны претерпевать изменения, а потому максимум должен существовать.

Вторая часть исследования касалась однослойного, или двумерного собрата графита — графена, эксперименты по плавлению которого еще не проводились. Компьютерные модели предсказывали, что он начинает плавиться при 4500-4900 Кельвинах, из-за чего графен стали считать веществом с самой высокой температурой плавления. Однако в новом исследовании графен вместо этого формировал линейные цепи, что означало переход в газовое состояние.

«Мы показали, что то, что происходит, — это прямой переход из твердого в газообразное состояние, или сублимация», — прокомментировал Юрий Фомин, доцент кафедры общей физики МФТИ. Также их расчеты показали, что в аргоновой атмосфере точка плавления графена будет близка к точке плавления графита.