Российские исследователи совершили значительный шаг вперед в понимании фундаментальных свойств углеродных материалов: впервые были построены кривые плавления графита и графена — веществ, обладающих выдающейся термостойкостью. Этот научный успех стал возможным благодаря совместной работе специалистов Московского физико-технического института (МФТИ) и Института физики высоких давлений имени Л.Ф. Верещагина РАН (ИФВД РАН) при поддержке Российского научного фонда и использованием вычислительных мощностей НИЦ "Курчатовский институт".
Загадка плавления графита: столетний путь к истине
Графит уже более века используется в самых ответственных областях — от металлургии и химической промышленности до космических технологий, где требуется работать при экстремальных температурах. Однако, несмотря на широкое применение, точные параметры плавления графита долгое время оставались дискуссионными. Экспериментальные попытки определить температуру его плавления давали крайне разные результаты: в XIX и XX веках значения колебались в широком диапазоне от 3000 до 7000 Кельвинов, что не позволяло ученым прийти к единому мнению относительно свойств этого материала.
Различия в данных объяснялись как сложностью проведения прямых экспериментов при сверхвысоких температурах, так и особенностями самого процесса плавления. Точные знания о кривой плавления графита важны не только для фундаментальной науки, но и для создания новых промышленных и аэрокосмических технологий.
Методика исследования: синтез классических и квантовых подходов
В новом исследовании Юрий Фомин и Вадим Бражкин, опираясь на уникальные возможности современных компьютерных вычислений, реализовали комбинированный подход. Были использованы два современных метода моделирования: классическая молекулярная динамика и методы, основанные на квантово-механических расчетах. Первый из них позволяет моделировать процессы с участием большого числа частиц, но не учитывает тонкости квантовой природы атомов, а второй — точнее отражает микромир, но ограничен числом задействованных атомов и временем симуляции.
Сопоставив результаты разных моделей, ученые преодолели противоречия, накопившиеся в предыдущих работах, и смогли получить достоверную картину фазовых переходов в графите. Это включало уточнение температурных значений и выявление новых особенностей поведения вещества при переходе из твердого в жидкое состояние.
Максимум на кривой плавления: открытие структурного перехода
Еще в 1960-е годы теоретики допускали возможность наличия максимума на кривой плавления графита — момента, когда структура вещества изменяется особенно интенсивно. Но подтверждение или опровержение этого феномена долгое время оставалось предметом научных дебатов. Новые вычисления, выполненные Фоминым и Бражкиным, однозначно показали: жидкий углерод над линией плавления графита действительно демонстрирует структурную перестройку, существование максимума подтверждено.
Это позволяет иначе взглянуть на процессы плавления и образования жидких и газообразных фаз углеродных материалов, что имеет большое значение для понимания фундаментальных свойств вещества.
Графен: материал будущего с уникальным фазовым поведением
Вторая часть работы касается графена — удивительного материала, представляющего собой одноатомный слой углерода с уникальными прочностными и электрическими характеристиками. Несмотря на огромный интерес к графену, экспериментальных данных о его плавлении до сих пор не существовало. Расчеты, проведённые российскими учёными, показали, что температурный порог предполагаемого «плавления» графена в инертной атмосфере соответствует 4500–4900 Кельвина, близко к данным по графиту.
Однако ключевая неожиданность состояла в природе этого фазового перехода: строго говоря, у графена отсутствует привычная стадия жидкой фазы. При нагревании до предельных значений графен проходит из твердого состояния в газообразное минуя расплав — подобно возгонке, что объясняется особенностями двумерной структуры материала. Такой необычный сценарий еще раз подтверждает уникальность графена как объекта изучения и как строительного блока будущих технологий.
От моделирования к технологиям: новый взгляд на углеродные материалы
Открытия, сделанные учеными МФТИ и ИФВД РАН, открывают масштабные перспективы для разработки и оптимизации устройств, работающих в высокотемпературных условиях, а также для создания новых наноматериалов. Полученные данные помогают по-новому взглянуть на природу фазовых переходов и сформировать основу для проектирования новых составов углеродных материалов с заданными характеристиками.
Понимание процессов перехода между твердым, жидким и газообразным состояниями в графите и графене чрезвычайно важно для промышленного производства, медицины, микроэлектроники и ряда других передовых областей. Результаты моделирования уже находят применение при проектировании термостойких покрытий, электроники нового поколения и наноинженерных систем.
Успех российских ученых: роль ведущих научных центров и поддержка грантов
Этот научный прорыв стал возможен благодаря тесному сотрудничеству двух ведущих отечественных научных школ и поддержке Российского научного фонда. Комплексная работа была реализована с привлечением вычислительных ресурсов современного центра моделирования и обработки данных НИЦ "Курчатовский институт". Такой подход подкрепляет позитивный тренд в развитии отечественной фундаментальной и прикладной науки, способствует созданию новых технологических решений и укрепляет позиции России на международной научной арене.
Именные авторы исследования — Юрий Фомин и Вадим Бражкин — еще раз доказали, какое огромное значение имеют креативные идеи и государственная поддержка для открытия новых горизонтов и успешного решения самых сложных задач современной физики материалов.
Изображение: Young Duck Kim/Columbia Engineering
Источник: scientificrussia.ru
