07.01.2020 - Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT)

Sublimation, nicht schmelzen: Graphen überrascht Forscher erneut

Physiker des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und des Instituts für Hochdruckphysik der Russischen Akademie der Wissenschaften haben mit Hilfe der Computermodellierung die Schmelzkurve von Graphit, die seit über 100 Jahren untersucht wird, wobei die Ergebnisse uneinheitlich sind. Sie fanden auch heraus, dass das "Schmelzen" von Graphen in der Tat eine Sublimation ist.

Graphit ist ein Material, das in verschiedenen Industrien weit verbreitet ist - zum Beispiel in Hitzeschilden für Raumfahrzeuge - daher sind genaue Daten über sein Verhalten bei ultrahohen Temperaturen von größter Bedeutung. Das Schmelzen von Graphit wird seit Anfang des 20. Jahrhunderts untersucht. Etwa 100 Experimente haben den Graphit-Schmelzpunkt bei verschiedenen Temperaturen zwischen 3.000 und 7.000 Kelvin gesetzt. Bei einer so großen Streuung ist es unklar, welche Zahl zutrifft und als der tatsächliche Schmelzpunkt von Graphit angesehen werden kann. Auch die von verschiedenen Computermodellen zurückgegebenen Werte weichen voneinander ab.

Ein Team von Physikern vom MIPT und HPPI RAS hat mehrere Computermodelle verglichen, um die passenden Vorhersagen zu finden. Yuri Fomin und Vadim Brazhkin verwendeten zwei Methoden: klassische Molekulardynamik und ab initio Molekulardynamik. Letzteres berücksichtigt quantenmechanische Effekte und macht es dadurch genauer. Der Nachteil ist, dass es sich nur um Wechselwirkungen zwischen einer kleinen Anzahl von Atomen auf kurzen Zeitskalen handelt. Die Forscher verglichen die erhaltenen Ergebnisse mit früheren experimentellen und theoretischen Daten.

Fomin und Brazhkin fanden die bestehenden Modelle höchst ungenau. Es stellte sich jedoch heraus, dass der Vergleich der Ergebnisse verschiedener theoretischer Modelle und das Auffinden von Überschneidungen eine Erklärung für die experimentellen Daten liefern kann.

Bereits in den 1960er Jahren wurde für die Graphitschmelzkurve ein Maximum vorhergesagt. Seine Existenz deutet auf ein komplexes Flüssigkeitsverhalten hin, was bedeutet, dass sich die Struktur der Flüssigkeit bei Erwärmung oder Verdichtung schnell ändert. Die Entdeckung des Maximums war heftig umstritten und wurde in einer Reihe von Studien immer wieder bestätigt und in Frage gestellt. Die Ergebnisse von Fomin und Brazhkin zeigen, dass die Struktur des flüssigen Kohlenstoffs oberhalb der Schmelzkurve von Graphen Veränderungen erfährt. Das Maximum muss also vorhanden sein.

Der zweite Teil der Studie ist der Untersuchung des Schmelzens von Graphen gewidmet. Es wurden keine Graphenschmelzversuche durchgeführt. Bisher haben Computermodelle den Schmelzpunkt von Graphen bei 4.500 oder 4.900 K vorhergesagt. Der zweidimensionale Kohlenstoff galt daher als der höchste Schmelzpunkt der Welt.

"In unserer Studie beobachteten wir ein seltsames 'Schmelzverhalten' von Graphen, das lineare Ketten bildete. Wir haben gezeigt, dass der Übergang von einem festen direkt in den gasförmigen Zustand erfolgt. Dieser Prozess wird als Sublimation bezeichnet", kommentierte Associate Professor Yuri Fomin vom Department of General Physics, MIPT. Die Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Phasenübergänge in niedrigdimensionalen Materialien, die als wichtiger Bestandteil vieler in Entwicklung befindlicher Technologien von der Elektronik bis zur Medizin gelten.

Die Forscher haben eine genauere und einheitliche Beschreibung des Verhaltens der Graphitschmelzkurve erstellt, die einen allmählichen Strukturübergang im flüssigen Kohlenstoff bestätigt. Ihre Berechnungen zeigen, dass die Schmelztemperatur von Graphen in einer Argon-Atmosphäre nahe der Schmelztemperatur von Graphit liegt.

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