Российские ученые исследовали поведение жидкого углерода с помощью суперкомпьютерного моделирования и впервые охарактеризовали его структуру на наноразмерных масштабах. Результаты свидетельствуют о том, что при относительно низких давлениях жидкий углерод представляет собой смесь линейных sp-гибридизованных цепочек и структурно напоминает карбин — загадочную твердую фазу углерода, споры о существовании которой ведутся уже более полувека.

Работа опубликована в высокорейтинговом научном журнале Carbon.

Углерод известен богатым набором аллотропных модификаций: от знакомых всем графита и алмаза до модных в наши дни нанотрубок, фуллеренов и многочисленных производных графена. Всем этим твердым модификациям углерода посвящены тысячи научных статей и целые монографии, а вот о свойствах его жидкой фазы известно удивительно мало. Несмотря на существенную практическую значимость, до сих пор нет достоверных экспериментальных данных о линии плавления графита или параметрах тройной точки «пар — жидкость — графит».

Такое положение — следствие ряда технических сложностей, связанных в первую очередь с трудностями стабилизации жидкого углерода при экстремально высоких температурах. Кроме того, температура образования жидкого углерода настолько высока, что тигель для его удержания попросту не из чего изготовить: любой другой жаропрочный материал расплавится раньше, чем сам образец.

Свойства жидкого углерода и аспекты плавления графита имеют долгую историю исследований, которые начались еще в 1920-х годах и были позднее продолжены уже во второй половине XX века экспериментами по лазерному нагреву и нагреву электрическим разрядом. Но после нескольких десятилетий интенсивных усилий результаты измерений температуры плавления графита по-прежнему крайне противоречивы: даже при близких значениях давления точки плавления разбросаны по широкому диапазону температур от 3700 до 6700 К.

При этом с развитием технологий знания о поведении углерода в области экстремальных температур становятся все более востребованы: фазовые переходы «твердое тело — жидкость» могут возникать в ходе синтеза углеродных наночастиц или встречаться при интенсивной лазерной абляции углеродных материалов. Перспективные методы восстановления графена из его оксида также требуют нагрева до температур порядка 3500–4000 K.

Атомистическая структура жидкого углерода: розовые атомы — sp-гибридизация, зеленые — sp2, серые — sp3 (слева). Примеры отдельных углеродных цепочек в объеме жидкости (справа) / ©Carbon

Здесь на помощь приходят методы суперкомпьютерного моделирования: они позволяют заглянуть в области, которые пока недоступны эксперименту. С помощью этих методов группа ученых из Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института провела атомистическое моделирование жидкой фазы углерода.