GRAFİT NEDEN TANIDIK KÜBİK ELMAS YERİNE ALTIGEN ELMASA DÖNÜŞÜYOR?
Stokastik yüzey yürüyüş simülasyonları, grafitin neden 5-20 gigapascal basınç altında kübik olmayan altıgen haline dönüştüğünü açıklayabilir.
Araştırmacılar nihayet bilim insanlarını yıllardır göz ardı eden bir soruyu yanıtladı: orta yüksek basınçlara maruz kaldığında, teorinin öngörüldüğü gibi, grafit neden tanıdık kübik elmas yerine altıgen elmasa (lonsdaleite olarak da bilinir) dönüşüyor?
Cevap çoğunlukla bir hız meselesine ya da kimya açısından tepki kinetiğine indirgenir. Yepyeni bir simülasyon kullanan araştırmacılar, grafit-elmas geçişinde en düşük enerji yollarını belirledi ve altıgen elmasa geçişin kübik elmasa geçişten yaklaşık 40 kat daha hızlı olduğunu keşfetti. Kübik elmas oluşmaya başladığında bile, büyük miktarda altıgen elmasla karıştırılır.
Fudan Üniversitesi'ndeki Yao-Ping Xie, Xiao-Jie Zhang ve Zhi-Pan Liu ve Shanghai, Çin'deki Şangay Üniversitesi araştırmacıları, yakın zamanda “Amerikan Kimya Topluluğu Dergisinde” grafit-elmas geçişinin yeni simülasyonları üzerine araştırmalarını yayınladılar.
“Liu, 'Bu çalışma, altı köşeli elmasın neden elmas oluşumunun başlangıcında kübik elmas yerine grafitten üretildiğinin uzun zamandır devam eden bulmacasını çözdü” dedi. "Grafit-elmasın prototip katıdan katıya geçiş olduğunu göz önüne alırsak, bu çalışmadan elde edilen bilgiler yüksek basınçlı katı fiziği ve kimyayı anlamada büyük yarar sağlayacaktır."
Grafit, altıgen elmas ve kübik elmas tümü karbon allotroplarıdır, yani farklı şekillerde düzenlenmiş karbon atomlarından yapılmıştır. Grafit, atomları petek benzeri bir örgü şeklinde düzenlenmiş yığınlanmış grafen katmanlarından oluşur. Grafendeki karbon atomları tam olarak bağlanmadığından, grafen yumuşaktır ve kolayca pul pul olur. Kurşun kalem olarak kullanmak için idealdir.
Öte yandan her iki elmas türü de, en fazla dört bağa sahip karbon atomlarından oluşur. Kübik elmas (tipik olarak mücevherde bulunan tür) katmanların tümü aynı yönde yönlendirilir. Altıgen elmasta, katmanlar dönüşümlü olarak yönlendirilir ve altıgen bir simetri elde edilir.
20'den fazla gigapascale (Yaklaşık atmosfer basıncının 200.000 katı) ait yüksek basınç altında teori ve deney, bazı altıgen elmas karışımı ile grafitin kübik elmas haline geldiğini kabul eder. Fakat deneylerin aksine 20 gigapascal'dan daha düşük basınçlar altında, simülasyonlar her zaman kübik elmasın tercih edilen ürün olması gerektiğini gösterdi. Bu simülasyonlar, bu basınçlarda, altıgen elmas çekirdeğini oluşturmaktan ziyade kübik elmas çekirdeğini (elmas büyümesinin başlangıç noktası) oluşturmak için daha az enerjiye ihtiyaç duyulduğu tahmine dayanır. Bu çekirdeğin oluşturulması, tüm sürecin en enerji tüketen adımı olduğundan, kübik elmas oluşumunun altı köşeli elmastan daha termodinamik olarak elverişli olması gerektiği anlaşılmaktadır.
Ancak bu simülasyonların büyük bir dezavantajı, grafit ile elmas çekirdeği arasındaki ara yüzleri hesaba katmamasıdır: iki yüzey arasındaki bir örgü uyumsuzluğu, büyüyen elmasın kararlılığına müdahale edebilecek bir gerilme enerjisi indükleyebilir.
Stokastik yüzey yürüyüşü adı verilen yeni bir simülasyon kullanarak, yeni araştırmacılar olası tüm ara yüzleri daha ayrıntılı bir şekilde keşfedebilir ve grafitten elmas geçişindeki en düşük enerji ara yapılarına karşılık gelen yedi tanesini tespit edebilir.
Genel olarak, sonuçlar grafit ile altıgen elmas çekirdeği arasındaki arayüzün kübik elmas çekirdeği ile olan ara yüzden daha az gergin ve daha kararlı olduğunu göstermektedir. Bu ara yüzlerin kararlılığının açıklaması, nihayetinde, altıgen elmasın orta basınçlarda kübik elmastan çok daha kolay ve hızlı bir şekilde oluştuğunu açıklayabilir.
Araştırmacılar, kübik elmasın, altıgen elmastan daha cazip görünmesine rağmen her iki malzemenin de avantajları olduğunu belirtti.
Liu, "Kübik elmas günlük hayatta tanıdık ve son derece yararlı bir malzeme olsa da, altıgen elmas da çok yararlı olabilir" dedi. "Örneğin, teorik olarak kübik elmastan bile daha sert olduğu öngörülüyordu, altıgen elmas (lonsdaleite) meteorlarda bulunabilirken, deneyde büyük altıgen elmas kristallerinin üretimi sağlanamamıştır. Bu nedenle, eğer üretilirse büyük altıgen elmas kristallerinin kübik elmastan daha da değerli olmasını beklerdik. "
Çeviri: Celal DEMİRTAŞ
Daha Fazla:Yao-Ping Xie et al. "Graphite to Diamond: Origin for Kinetics Selectivity." Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.6b11193
Referens Dergi: Journal of the American Chemical
Yayınlama tarihi: 01.03.2017