升華而非熔化:石墨烯再次讓研究人員感到驚訝

來自莫斯科物理技術研究所和俄羅斯科學院高壓物理研究所的物理學家們使用計算機建模來細化石墨的熔化曲線，這一研究已經進行了100多年，但結果並不一致。他們還發現，石墨烯「熔化」實際上是升華。研究結果發表在《碳》雜誌上。

石墨廣泛應用於工業——例如，用於太空飛行器的防熱板——因此對其在超高溫度下的行為的準確數據至關重要。自20世紀初以來，人們就開始研究石墨熔化。大約有100個實驗將石墨熔點置於3000到7000開爾文的不同溫度下。由於擴散範圍如此之大，還不清楚哪個數字是正確的，可以認為是石墨的實際熔點。不同計算機模型返回的值也不一致。

來自MIPT和HPPI RAS的一組物理學家比較了幾個計算機模型，試圖找到匹配的預測。Yuri Fomin和Vadim Brazhkin使用了兩種方法:經典分子動力學和從頭算分子動力學。後者考慮了量子力學效應，使其更加精確。缺點是它只處理短時間內少量原子之間的相互作用。研究人員將所得結果與先前的實驗和理論數據進行了比較。

Fomin和Brazhkin發現現有的模型非常不準確。但結果表明，比較不同理論模型的結果和發現重疊可以為實驗數據提供一個解釋。

早在20世紀60年代，人們就預測石墨熔化曲線會達到最大值。它的存在指向複雜的液體行為，意味著液體的結構在加熱或緻密化過程中迅速變化。最大值的發現引起了極大的爭議，大量的研究一再證實並挑戰它。Fomin和Brazhkin的結果表明，液態碳結構在石墨烯熔化曲線以上發生變化。因此最大值必須存在。

研究的第二部分致力於研究石墨烯的熔化。未進行石墨烯熔化實驗。此前，計算機模型預測石墨烯的熔點為4500或4900千卡。因此二維碳被認為是世界上熔點最高的碳。

「在我們的研究中，我們觀察到石墨烯一種奇怪的『熔化』行為，它形成了線性鏈。我們證明了它從固體直接過渡到氣態。這一過程被稱為升華。這些發現有助於更好地理解低維材料中的相變，低維材料被認為是目前正在開發的許多技術的重要組成部分，從電子到醫學。

研究人員對石墨熔化曲線的行為進行了更為精確和統一的描述，證實了液態碳的逐步結構轉變。他們的計算表明，石墨烯在氬氣環境中的熔化溫度接近石墨的熔化溫度。