Das Problem mit der Umwandlung von Graphit in Diamant

Die Umwandlung von Graphit in Diamant ist ein lang gehegter Traum von Alchemisten auf der ganzen Welt. In der Neuzeit rätseln Materialwissenschaftler über diesen Prozess, weil es schwer ist herauszufinden, warum die Umwandlung so schwierig ist.



Messen Sie die freie Energie von Graphit und Diamant und Sie werden feststellen, dass sie mehr oder weniger gleich sind. Das bedeutet, dass die Umwandlung des einen in das andere einfach sein sollte.

Und doch funktioniert die Umrechnung in Experimenten nur bei Temperaturen deutlich über 1700 K und bei Drücken über 12 GigaPascal. Kein Wunder also, dass Diamanten so selten und wertvoll sind





Aber warum sollte Graphit den Wechsel so zögerlich machen? Heute sagen Rustam Khaliullin von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und ein paar Kumpels, sie meinen zu wissen, warum. Diese Jungs haben ein Computermodell des Prozesses erstellt, das den Grund identifiziert hat, warum sich Diamanten so ungern bilden.

Materialwissenschaftler glauben seit langem, dass der Umwandlungsprozess mit der Keimbildung von Diamant in Graphit beginnen muss, gefolgt von Wachstum. Es ist leicht vorstellbar, dass ein solcher Prozess einfach nach den ersten Prinzipien auf einem Computer modelliert werden könnte.

Es hat sich herausgestellt, dass das nicht der Fall ist. Die Oberflächenenergie von Diamant ist extrem hoch, sodass sich kleine Diamanten mit nur wenigen Atomen nicht leicht bilden können (die Oberflächenenergie ist einfach zu hoch).



Das bedeutet, dass der anfängliche Keim bei der Diamantnukleation aus Zehntausenden von Kohlenstoffatomen bestehen muss. Das ist zu viel für jede Standard-Computersimulation nach den ersten Prinzipien.

Khaliullin und Kumpels gehen einen anderen Weg. Sie verwenden ein neuronales Netzwerk, um die potentielle Energieoberfläche zu simulieren, die durch Graphitplatten hindurch existiert, wenn sie gebogen werden. Dieser Ansatz ignoriert die Details jeder Kohlenstoffbindung und konzentriert sich stattdessen auf die allgemeinere Molekülstruktur.

Auf diese Weise kommt die Simulation mit den erforderlichen Zehn- oder sogar Hunderttausenden von Atomen zurecht. Khaliullin und Co. sagen, dass dies ihnen die erste atomistische Untersuchung der homogenen Diamantkeimbildung aus Graphit ermöglicht hat

größtes schwarzes Loch entdeckt

Die Ergebnisse sind faszinierend. Um Diamant zu formen, müssen sich die sechseckigen Ringe im Graphit zunächst verformen. Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, wie sich ein sechseckiger Ring verziehen kann. Die gegenüberliegenden Enden des Sechsecks können sich beide nach oben biegen und eine bootartige Form bilden; oder ein Ende des Sechsecks kann sich nach oben und das andere nach unten biegen, wodurch eine stuhlähnliche Form entsteht.



Khaliullin und Co zeigen, dass die hexagonalen Ringe in Graphit bei niedrigen Drücken unter 10 GPa dazu neigen, die bootförmige Struktur zu bilden. Wenn dies geschieht, formt sich der Graphit zu einem metastabilen Allotrop von Kohlenstoff, das als hexagonaler Diamant bezeichnet wird.

Dies sei der Grund, warum Diamant so schwer herzustellen sei: Kohlenstoff formt sich lieber in eine andere hexagonale Struktur.

Tatsächlich passiert genau dies in Experimenten, wenn Graphit komprimiert und unter die kritischen Diamantbildungstemperaturen erhitzt wird. Sechseckiger Diamant wird manchmal auch in Meteoriten gefunden.

Khaliullin und Co. zeigen weiterhin, dass sich bei hohem Druck die stuhlförmigen Sechsecke bilden und diese die Bildung von Diamanten keimen. Sie zeigen auch, dass mit steigendem Druck auch die Größe der Diamantkeime, die zum Auslösen der Nukleation benötigt werden, kleiner wird. Deshalb bildet sich Diamant bei 50 GPa viel leichter als bei 20 GPa.

Das macht es nicht einfacher, aus Kohle Schmuck zu machen. Aber es gibt Materialwissenschaftlern einen neuen Einblick in eines der interessanteren Probleme, die sie in den letzten Jahren verwirrt haben.

Ref: arxiv.org/abs/1101.1406 : Nukleationsmechanismus für den direkten Übergang von Graphit zu Diamant

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