I fisici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Istituto di fisica ad alta pressione dell'Accademia delle scienze russa hanno utilizzato la modellazione al computer per perfezionare la curva di fusione della grafite che è stata studiata per oltre 100 anni, con riscontri inconsistenti. Hanno anche scoperto che lo "scioglimento" del grafene è, infatti, sublimazione. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Carbonio .

La grafite è ampiamente utilizzata nell'industria, ad esempio negli scudi termici per veicoli spaziali, quindi dati accurati sul suo comportamento a temperature ultra elevate sono di fondamentale importanza. La fusione della grafite è stata studiata dall'inizio del XX secolo. Circa 100 esperimenti hanno posto il punto di fusione della grafite a varie temperature tra 3, 000 e 7, 000 kelvin. Con una diffusione così grande, non è chiaro quale numero sia corretto, e può essere considerato l'effettivo punto di fusione della grafite. Anche i valori restituiti da diversi modelli di computer sono in disaccordo tra loro.

Un team di fisici del MIPT e HPPI RAS ha confrontato diversi modelli di computer per cercare di trovare le previsioni corrispondenti. Yuri Fomin e Vadim Brazhkin hanno utilizzato due metodi:la dinamica molecolare classica e la dinamica molecolare ab initio. Quest'ultimo spiega gli effetti della meccanica quantistica, rendendolo più preciso. Il rovescio della medaglia è che si occupa solo delle interazioni tra un piccolo numero di atomi su scale temporali brevi. I ricercatori hanno confrontato i risultati ottenuti con i dati sperimentali e teorici precedenti.

Fomin e Brazhkin hanno riscontrato che i modelli esistenti erano molto imprecisi. Ma si è scoperto che confrontare i risultati prodotti da diversi modelli teorici e trovare sovrapposizioni può fornire una spiegazione per i dati sperimentali.

Già negli anni '60, si prevedeva che la curva di fusione della grafite avesse un massimo. La sua esistenza indica un comportamento liquido complesso, il che significa che la struttura del liquido cambia rapidamente per riscaldamento o densificazione. La scoperta del massimo è stata fortemente contestata, con una serie di studi che lo confermano e lo sfidano più e più volte. I risultati di Fomin e Brazhkin mostrano che la struttura del carbonio liquido subisce cambiamenti al di sopra della curva di fusione del grafene. Il massimo quindi deve esistere.

La seconda parte dello studio è dedicata allo studio della fusione del grafene. Non sono stati condotti esperimenti di fusione del grafene. In precedenza, modelli informatici hanno previsto il punto di fusione del grafene a 4, 500 o 4, 900 K. Si riteneva quindi che il carbonio bidimensionale avesse il punto di fusione più alto del mondo.

"Nel nostro studio, abbiamo osservato uno strano comportamento di "fusione" del grafene, che formavano catene lineari. Abbiamo mostrato che ciò che accade è che passa direttamente da uno stato solido a uno stato gassoso. Questo processo si chiama sublimazione, " ha commentato il Professore Associato Yuri Fomin del Dipartimento di Fisica Generale, MIPT. I risultati consentono una migliore comprensione delle transizioni di fase nei materiali a bassa dimensionalità, che sono considerati una componente importante di molte tecnologie attualmente in sviluppo, in campi dall'elettronica alla medicina.

I ricercatori hanno prodotto una descrizione più precisa e unificata di come si comporta la curva di fusione della grafite, confermando una graduale transizione strutturale nel carbonio liquido. I loro calcoli mostrano che la temperatura di fusione del grafene in un'atmosfera di argon è vicina alla temperatura di fusione della grafite.