A transição de fase grafite-diamante é de particular interesse por razões fundamentais e uma ampla gama de aplicações.
Em escalas de tempo de compressão muito rápidas, a cinética do material dificulta a transição do grafite para a estrutura cristalina do diamante cúbico de equilíbrio que comumente conhecemos como diamante. A compressão por ondas de choque de grafite normalmente requer pressões acima de 50 GPa (500.000 atmosferas) para observar a transição de fase na escala de tempo dos experimentos de compressão de choque. Além disso, o politipo hexagonal de diamante chamado Lonsdaleite foi observado em material comprimido por choque após eventos de impacto de meteorito, sugerindo que a escala de tempo de compressão desempenha um papel importante na transição de fase.

Em novos experimentos, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) emularam as condições de formação de Lonsdaleita usando compressão a laser em escala de tempo de picossegundos e observaram a transição com caracterização de material de última geração usando pulsos de raios X de femtossegundos.

A observação de Lonsdaleita após a compressão de choque tem sido um mistério persistente, incluindo o debate sobre se o diamante hexagonal existe como uma estrutura estendida ou é um diamante cúbico com defeitos. Estudos anteriores da transição de fase de grafite para diamante ou Lonsdaleita sob compressão de choque moderado suportam um mecanismo sem difusão para a transição de fase, mas esses estudos não observaram a estrutura atômica através da transição, então o mecanismo de transformação não foi revelado.

"Lonsdaleite é formado sob compressão rápida - exclusivo para compressão de choque", disse o cientista do LLNL Mike Armstrong, principal autor de um artigo que aparece em uma edição especial do Shock Behavior of Materials do Journal of Applied Physics . "Há décadas há especulação sobre os mecanismos e estados intermediários dessa transição de fase e por que ela só se forma sob compressão rápida. Aqui mostramos que a estrutura de Lonsdaleíta é provavelmente um estado intermediário na transição de fase para diamante cúbico."

Nos experimentos, a equipe usou a capacidade única do instrumento Matter in Extreme Conditions na Linac Coherent Light Source para explorar o comportamento de transição de fase do carbono após um aumento de choque de compressão em escala de picossegundos seguido por ~ 100 ps de compressão sustentada. Experimentos de compressão ultrarrápida têm sido usados ​​para investigar estados previamente desconhecidos da matéria sob compressão elástica extrema, transições de fase sem difusão abaixo de 100 ps e química induzida por choque dependente da taxa de deformação, mas a resposta do grafite à compressão ultrarrápida não foi investigada anteriormente em escalas de tempo de picossegundos .

"Esses experimentos são análogos aos primeiros experimentos no domínio do tempo para identificar o estado de transição na química física", disse Armstrong. "Devido à escala de tempo de observação muito curta, este experimento tem a capacidade de observar intermediários de transição de fase de curta duração, análogos ao estado de transição em reações químicas."

Os membros da equipe viram uma transição de fase em que a fase do produto está fortemente correlacionada com a fase inicial. Eles observaram um produto altamente texturizado, quase de cristal único, dentro de 20 ps após a compressão.

“Isso confirma a especulação inicial de que essa transição de fase é sem difusão e que a Lonsdaleita pode ser um intermediário, mesmo na transformação para o estado final de equilíbrio, diamante cúbico”, disse o cientista do LLNL Harry Radousky, coautor do estudo. "Este experimento aborda décadas de especulação sobre a natureza dessa transição de fase, que tem sido objeto de um trabalho teórico considerável".

Os experimentos atingiram as escalas de tempo e comprimento de simulações de última geração, que normalmente são extrapoladas para comparação com experimentos de escala de tempo mais longa. + Explorar mais

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