При превращении графита в алмаз под высоким давлением первой может зарождаться менее стабильная кристаллическая форма — лонсдейлит. Ученые Сколковского института науки и технологий и Национального исследовательского технологического университета МИСИС объяснили это особенностями взаимодействия крошечных зародышей с окружающим графитом. Работа опубликована в журнале Carbon.
У привычного алмаза кубическая кристаллическая структура, а у лонсдейлита — гексагональная: атомы углерода уложены иначе. В рассмотренном диапазоне давлений кубический алмаз энергетически выгоднее. Однако при образовании нанометрового зародыша важны не только свойства будущего кристалла.
Чтобы появиться внутри графита, зародыш должен сформировать границу с исходным веществом и деформировать соседние слои. На малом масштабе затраты на эти процессы способны перевесить преимущество более стабильной структуры.
Авторы сравнили зародыши двух форм при давлениях 18–22 гигапаскаля. Они использовали модели, содержащие до 700 тыс. атомов, и межатомный потенциал, обученный на квантово-механических расчетах. Это позволило учесть перестройку графита вокруг растущего образования.
В расчетах лонсдейлит лучше приспосабливался к окружению. Энергетический барьер появления его оптимального зародыша оказался примерно вдвое ниже, а критическое число атомов — в два–три раза меньше, чем для кубического алмаза.
На этой основе исследователи предложили сценарий: сначала возникает лонсдейлит, а затем, по мере роста и ослабления деформаций на границе с графитом, он превращается в кубический алмаз. Если дальнейшая перестройка затруднена, лонсдейлит может сохраниться.
Речь идет о механизме, предложенном по результатам моделирования, а не об обязательной последовательности для любого образца. Понимание роли границы между веществами может помочь точнее управлять синтезом сверхтвердых материалов и предсказывать их свойства.
Ранее физики сжали воду между двумя алмазами и получили неожиданный результат.