La transición de fase grafito-diamante es de particular interés por razones fundamentales y una amplia gama de aplicaciones.

En escalas de tiempo de compresión muy rápidas, la cinética del material dificulta la transición del grafito a la estructura cristalina de diamante cúbico en equilibrio que comúnmente conocemos como diamante. La compresión de ondas de choque de grafito generalmente requiere presiones superiores a 50 GPa (500 000 atmósferas) para observar la transición de fase en la escala de tiempo de los experimentos de compresión de choque. Además, el politipo hexagonal de diamante llamado Lonsdaleite se ha observado en material comprimido por choque posterior a eventos de impacto de meteoritos, lo que sugiere que la escala de tiempo de compresión juega un papel importante en la transición de fase.

En nuevos experimentos, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han emulado las condiciones de formación de Lonsdaleita utilizando compresión láser de escala de tiempo de picosegundos y han observado la transición con caracterización de materiales de última generación utilizando pulsos de rayos X de femtosegundos.

La observación de Lonsdaleita posterior a la compresión por choque ha sido un misterio persistente, incluido el debate sobre si el diamante hexagonal existe como una estructura extendida o es un diamante cúbico con defectos. Estudios previos de la transición de fase de grafito a diamante o Lonsdaleite bajo compresión de choque moderada respaldan un mecanismo sin difusión para la transición de fase, pero estos estudios no observaron la estructura atómica a través de la transición, por lo que no se reveló el mecanismo de transformación.

"La lonsdaleita se forma bajo una compresión rápida, exclusiva de la compresión por choque", dijo el científico de LLNL Mike Armstrong, autor principal de un artículo que aparece en una edición especial de Shock Behavior of Materials del Journal of Applied Physics . "Ha habido especulaciones durante décadas sobre los mecanismos y estados intermedios de esta transición de fase y por qué solo se forma bajo una compresión rápida. Aquí mostramos que la estructura de Lonsdaleita es probablemente un estado intermedio en la transición de fase a diamante cúbico".

En los experimentos, el equipo utilizó la capacidad única del instrumento Matter in Extreme Conditions en la fuente de luz coherente Linac para explorar el comportamiento de transición de fase del carbono posterior a un aumento de choque de compresión a escala de picosegundos seguido de ~100 ps de compresión sostenida. Se han utilizado experimentos de compresión ultrarrápida para investigar estados de la materia previamente desconocidos bajo compresión elástica extrema, transiciones de fase sin difusión por debajo de 100 ps y química inducida por choque dependiente de la velocidad de deformación, pero la respuesta del grafito a la compresión ultrarrápida no se ha investigado previamente en escalas de tiempo de picosegundos. .

"Estos experimentos son análogos a los primeros experimentos en el dominio del tiempo para identificar el estado de transición en la química física", dijo Armstrong. "Debido a la escala de tiempo de observación muy corta, este experimento tiene la capacidad de observar intermedios de transición de fase de corta duración, análogos al estado de transición en las reacciones químicas".

Los miembros del equipo vieron una transición de fase en la que la fase del producto está fuertemente correlacionada con la fase inicial. Observaron un producto casi monocristalino altamente texturizado dentro de los 20 ps después de la compresión.

"Esto confirma la especulación inicial de que esta transición de fase no tiene difusión y que la lonsdaleita puede ser un intermedio, incluso en la transformación al estado final de equilibrio, el diamante cúbico", dijo el científico del LLNL Harry Radousky, coautor del estudio. "Este experimento aborda décadas de especulación sobre la naturaleza de esta transición de fase, que ha sido objeto de un considerable trabajo teórico".

Los experimentos alcanzaron las escalas de tiempo y duración de las simulaciones más modernas, que normalmente se extrapolan para compararlas con experimentos de mayor escala de tiempo. + Explora más

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