Išsiaiškinta, kaip grafitas virsta deimantu

Kontrastas, kuris aiškiai matomas lyginant paprastos anglies atmainas, pavyzdžiui, neišvaizdų grafitą ir spindinčius deimantus, yra bene ryškiausias iš visų aptinkamų medžiagų. Svarbiausias abiejų atmainų skirtumas glūdi jų kristalinėje sandaroje: deimanto atveju turime kubinę, o grafito – heksagoninę gardelę. Nevienodos abiejų medžiagų gardelės lemia skirtingas jų savybes. Deimantas yra kiečiausia žinoma medžiaga, o grafitas yra ganėtinai minkštas. Dėl savo nepaprasto kietumo deimantas naudingas ne tik kaip įmantrus papuošalas, bet ir kaip nepakeičiama darbinė medžiaga pramonėje, pavyzdžiui, atliekant specifines gręžimo ar pjovimo funkcijas.

Deimantą iš grafito dirbtiniu būdu pirmąkart pavyko išgauti prieš maždaug 60 metų. Vis dėlto itin aukšta temperatūra ir didžiulis slėgis, būtini norint neišvaizdųjį grafitą paversti žaižaruojančiu deimantu, yra pagrindiniai kliuviniai, neleidžiantys šio proceso atlikti didesniais mastais. Šis vyksmas trunka ilgai, be to, reikalauja daug energijos, nes norint sukurti sintetinius deimantus reikia pakoreguoti anglies ryšių struktūrą ir perstumdyti jos elektronus. Anglies atomas privalo sudaryti ne tris ryšius, o keturis, be to, energetiškai „patogią būseną“ pakeisti „nepatogia“. Taigi natūralu, jog šiam vyksmui reikalingas nemažas energijos kiekis.

Medžiagų tyrėjams itin svarbu žinoti, kaip tiksliai vyksta šis procesas ir kuomet anglis galiausiai virsta deimantu. Deja, reikia pripažinti, kad iki šiol tai buvo paslaptis. Kompiuterių mokslo profesorius Mišelis Parinelas (Michele Parrinello), besidarbuojantis Šveicarijos federaliniame technologijos institute Ciūriche bei Lugano universitete (Šveicarija), kartu su savo kolegomis sukūrė metodą, leidžiantį tiksliai atkartoti šį fazinį virsmą taikant kompiuterinius modelius.

Anksčiau mokslininkai fazinį virsmą bandė modeliuoti naudodami vadinamąjį Karo ir Parinelo metodą. Šis metodas leidžia apytikriai nustatyti jono elektronų struktūrą ir energijos būsenas, tuomet galima bandyti sumodeliuoti nutrūkstančius ir iš naujo susidarančius ryšius. Procedūros pagrindas – prieš daugiau nei 25 metus Mišelio Parinelo ir Roberto Karo (Roberto Car) sugalvotas modelis. „Vis dėlto norint tiksliai sumodeliuoti grafito virtimą deimantu reikia įtraukti tiek daug atomų, jog tai paprasčiausiai per sudėtinga“, – teigia M. Parinelas. Būtent todėl tyrėjai apsiribodavo kur kas mažesniu atomų skaičiumi, tačiau profesorius pažymi, jog toks supaprastinimas sudarydavo įspūdį, kad grafitas deimantu virsdavo vienu ypu – tarsi kam sukomandavus.

Vis dėlto naujasis metodas atskleidžia kiek kitokį vaizdą. Mokslininkai į pagalbą pasitelkė Šveicarijos nacionalinį superkompiuterių centrą, kad galėtų atlikti skaičiavimus su tūkstančiais atomų konfigūracijų, šiek tiek besiskiriančių energijos būsenomis. Tai reiškia, jog nagrinėjamos atominės konfigūracijos apima itin platų galimų energijos būsenų spektrą. Kuomet mokslininkai interpoliavo energijos būsenas ir panaudojo jas kaip modeliavimo pagrindą, tapo aišku, jog visų pirma susidaro deimanto kristalo užuomazgos, tuomet esant aukštam slėgiui heksagoninė grafito gardelė po truputį tampa kubine.

Fazinio virsmo modeliavimas taip pat atskleidė, jog grafito kristalo struktūriniai defektai sumažina energijos barjerus, kuriuos reikia įveikti norint, kad susiformuotų deimanto kristalo užuomazgos. Taigi, struktūriniai gardelės defektai gali pagreitinti virsmą. „Metodą galima panaudoti, kuomet yra poreikis vizualizuoti fazinius virsmus“, – pabrėžia M. Parinelas.