18.12.2019
ФизТех
18 847

Не плавление, а возгонка: исследование графена преподнесло очередной сюрприз

Ученые из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений имени Верещагина РАН с помощью компьютерного моделирования уточнили кривую плавления графита, изучение которой длится более ста лет и пестрит противоречивыми данными. Также они показали, что «плавление» графена на самом деле является возгонкой.

Структура графена / ©Пресс-служба МФТИ

Результаты опубликованы в журнале Carbon.

Графит — минерал, активно используемый в различных видах производств, в том числе для тепловой защиты космических аппаратов, поэтому точные сведения о его поведении при сверхвысоких температурах очень важны. Плавление графита начали исследовать еще в начале ХХ века. Около сотни экспериментальных работ в качестве температуры его плавления называли цифры в диапазоне от 3 000 до 7 000 К. Это очень большой разброс, непонятно, какой из цифр можно верить, какая из величин действительно температура плавления. Разные компьютерные модели тоже давали разные результаты.

Идеей исследователей было сравнить несколько компьютерных моделей и попытаться выделить какие-то общие предсказания. Для этого физики Юрий Фомин и Вадим Бражкин использовали два метода: классическую молекулярную динамику и первопринципную, которая учитывает квантово-механические эффекты. Первая дает неточности как раз из-за неучета квантовой механики. Вторая — из-за того, что учитывает взаимодействие только небольшого количества атомов и на коротком промежутке времени. Полученные результаты ученые сравнили с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.

Фомин и Бражкин показали, что существующие модели сильно неточны. Но сравнение результатов, полученных из разных теоретических моделей, и их перекрытие позволяет давать объяснение экспериментальным данным. Еще в 1960-е годы предсказывали, что на кривой плавления графита должен существовать максимум.

Существование максимума на кривой плавления говорит о сложном поведении жидкости — в ней должны происходить плавные изменения структуры. Потом существование максимума то открывали, то закрывали. Результаты Фомина и Бражкина показывают, что структура жидкого углерода над кривой плавления графена претерпевает изменения, а значит, максимум должен существовать.

Вторая часть работы посвящена исследованию плавления графена. Экспериментов по плавлению графена нет. Ранее на основе компьютерного моделирования предсказывали, что температура плавления графена — 4500 или 4900 K. Соответственно, двумерный углерод считали самым тугоплавким веществом в мире.

«В нашей работе мы обратили внимание на то, что “плавление” графена происходит неким странным образом, посредством образования линейных цепочек. Мы показали, что на самом деле там наблюдается не плавление, а переход сразу в газообразное состояние — возгонка», — комментирует Юрий Фомин, доцент кафедры общей физики МФТИ.

Этот результат позволяет лучше понять природу фазовых переходов в низкоразмерных углеродных материалах, которые рассматриваются как важные составные части многих разрабатываемых сейчас технологий — от электроники до медицины. Исследователи обобщили и уточнили описание кривой плавления графита, подтвердили наличие плавного структурного перехода в жидком углероде. Их расчеты показали, что температура плавления графена в атмосфере аргона близка к температуре плавления графита.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» в НИЦ «Курчатовский институт».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Предстоящие мероприятия
Вчера, 19:27
Михаил Орлов

В последнее время Азовское море страдает от нашествий медуз-корнеротов. Местные исследователи из Азово-Черноморского филиала ВНИРО подошли к проблеме изобретательно и предложили использовать корнеротов как ценный продукт питания.

Позавчера, 16:42
Илья Ведмеденко

Украина, вероятно, потеряла недавно запущенный космический аппарат «Сич-2-30». Пока с ним нет устойчивой связи — или совсем никакой.

25 января
Александр Березин

Океаны на нашей планете не могли возникнуть сразу после ее появления: здесь было слишком жарко. Однако попытки объяснить их «кометным завозом» не удались, изотопный состав нашей воды не такой, как в кометах. До самых недавних пор оставалось неясным, откуда же тогда она появилась, сделав возможной земную жизнь?

24 января
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

21 января
Илья Ведмеденко

Заслуженные штурмовики A-10 и Су-25, которым дали прозвища «Бородавочник » и «Грач» соответственно, много десятилетий стоят на службе в Соединенных Штатах и России. Страны избрали разные подходы к модернизации этих самолетов, и сегодня Naked Science постарается понять, какой из них больше соответствует требованиям XXI века.

23 января
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

24 января
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: