Il politipo esagonale di diamante chiamato Lonsdaleite è stato osservato in materiale compresso d'urto dopo l'impatto di un meteorite. Credito:Lawrence Livermore National Laboratory
La transizione di fase grafite-diamante è di particolare interesse per ragioni fondamentali e un'ampia gamma di applicazioni.
Su scale temporali di compressione molto veloci, la cinetica del materiale ostacola il passaggio dalla grafite alla struttura cristallina di diamante cubico di equilibrio che comunemente conosciamo come diamante. La compressione dell'onda d'urto della grafite richiede tipicamente pressioni superiori a 50 GPa (500.000 atmosfere) per osservare la transizione di fase sulla scala temporale degli esperimenti di compressione d'urto. Inoltre, il politipo esagonale di diamante chiamato Lonsdaleite è stato osservato in materiale compresso a shock in seguito a eventi di impatto di meteoriti, suggerendo che la scala temporale della compressione gioca un ruolo importante nella transizione di fase.
In nuovi esperimenti, gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno emulato le condizioni della formazione di Lonsdaleite utilizzando la compressione laser su scala temporale di picosecondi e hanno osservato la transizione con una caratterizzazione del materiale all'avanguardia utilizzando impulsi di raggi X a femtosecondi.
L'osservazione della Lonsdaleite dopo la compressione d'urto è stata un mistero persistente, compreso il dibattito sul fatto che il diamante esagonale esista come struttura estesa o sia un diamante cubico con difetti. Studi precedenti sulla transizione di fase della grafite al diamante o alla Lonsdaleite sotto una moderata compressione d'urto supportano un meccanismo senza diffusione per la transizione di fase, ma questi studi non hanno osservato la struttura atomica durante la transizione, quindi il meccanismo di trasformazione non è stato rivelato.
"Lonsdaleite si forma sotto compressione rapida, unica per la compressione d'urto", ha affermato lo scienziato dell'LLNL Mike Armstrong, autore principale di un articolo apparso in uno speciale numero di Shock Behaviour of Materials del Journal of Applied Physics . "Ci sono state speculazioni per decenni sui meccanismi e gli stati intermedi di questa transizione di fase e sul motivo per cui si forma solo sotto una rapida compressione. Qui mostriamo che la struttura di Lonsdaleite è probabilmente uno stato intermedio nella transizione di fase al diamante cubico".
Negli esperimenti, il team ha utilizzato la capacità unica dello strumento Matter in Extreme Conditions sulla sorgente di luce coerente Linac per esplorare il comportamento di transizione di fase del carbonio in seguito a un aumento dello shock di compressione su scala picosecondo seguito da ~100 ps di compressione sostenuta. Esperimenti di compressione ultraveloce sono stati utilizzati per studiare stati della materia precedentemente sconosciuti sottoposti a compressione elastica estrema, transizioni di fase senza diffusione inferiori a 100 ps e chimica indotta da shock dipendenti dalla velocità di deformazione, ma la risposta della grafite alla compressione ultraveloce non è stata precedentemente studiata su scale temporali di picosecondi .
"Questi esperimenti sono analoghi ai primi esperimenti nel dominio del tempo per identificare lo stato di transizione nella chimica fisica", ha detto Armstrong. "A causa della brevissima scala dei tempi di osservazione, questo esperimento ha la capacità di osservare intermedi di transizione di fase di breve durata, analoghi allo stato di transizione nelle reazioni chimiche."
I membri del team hanno assistito a una transizione di fase in cui la fase del prodotto è fortemente correlata alla fase iniziale. Hanno osservato un prodotto altamente strutturato, quasi a cristallo singolo entro 20 ps dopo la compressione.
"Questo conferma le prime speculazioni sul fatto che questa transizione di fase sia priva di diffusione e che la Lonsdaleite possa essere un diamante cubico intermedio, anche nella trasformazione allo stato finale di equilibrio", ha affermato lo scienziato dell'LLNL Harry Radousky, coautore dello studio. "Questo esperimento affronta decenni di speculazioni sulla natura di questa transizione di fase, che è stata oggetto di un considerevole lavoro teorico."
Gli esperimenti hanno raggiunto le scale temporali e di lunghezza delle simulazioni all'avanguardia, che normalmente vengono estrapolate per essere confrontate con esperimenti su scala temporale più lunga. + Esplora ulteriormente
