Los físicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y el Instituto de Física de Alta Presión de la Academia de Ciencias de Rusia han utilizado el modelado por computadora para refinar la curva de fusión de grafito que se ha estudiado durante más de 100 años, con resultados inconsistentes. También descubrieron que el «derretimiento» del grafeno es, de hecho, sublimación. Los resultados del estudio salieron en la revista Carbon .

El grafito es un material ampliamente utilizado en diversas industrias, por ejemplo, en escudos térmicos para naves espaciales, por lo que los datos precisos sobre su comportamiento a temperaturas ultra altas son de suma importancia. La fusión del grafito se ha estudiado desde principios del siglo XX. Alrededor de 100 experimentos han colocado el punto de fusión del grafito a varias temperaturas entre 3.000 y 7.000 kelvins. Con una extensión tan grande, no está claro qué número es verdadero y puede considerarse el punto de fusión real del grafito. Los valores devueltos por diferentes modelos de computadora también están en desacuerdo entre sí.

Un equipo de físicos de MIPT y HPPI RAS comparó varios modelos de computadora para tratar de encontrar las predicciones correspondientes. Yuri Fomin y Vadim Brazhkin usaron dos métodos: dinámica molecular clásica y dinámica molecular ab initio. Este último explica los efectos de la mecánica cuántica, lo que lo hace más preciso. La desventaja es que solo se trata de interacciones entre un pequeño número de átomos en escalas de tiempo cortas. Los investigadores compararon los resultados obtenidos con datos experimentales y teóricos previos.

Fomin y Brazhkin encontraron que los modelos existentes son altamente inexactos. Pero resultó que comparar los resultados producidos por diferentes modelos teóricos y encontrar superposiciones puede proporcionar una explicación para los datos experimentales.

Ya en la década de 1960, se predijo que la curva de fusión de grafito tendría un máximo. Su existencia apunta a un comportamiento líquido complejo, lo que significa que la estructura del líquido cambia rápidamente al calentarse o densificarse. El descubrimiento del máximo fue muy discutido, con una serie de estudios que lo confirmaron y desafiaron una y otra vez. Los resultados de Fomin y Brazhkin muestran que la estructura de carbono líquido sufre cambios por encima de la curva de fusión del grafeno. El máximo por lo tanto tiene que existir.

La segunda parte del estudio está dedicada al estudio de la fusión del grafeno. No se han realizado experimentos de fusión de grafeno. Anteriormente, los modelos informáticos predijeron el punto de fusión del grafeno a 4.500 o 4.900 K. Por lo tanto, se consideró que el carbono bidimensional tenía el punto de fusión más alto del mundo.

“En nuestro estudio, observamos un extraño comportamiento de ‘fusión’ del grafeno, que formó cadenas lineales. Mostramos que lo que sucede es que pasa de un sólido directamente a un estado gaseoso. Este proceso se llama sublimación ”, comentó el profesor asociado Yuri Fomin del Departamento de Física General, MIPT. Los hallazgos permiten una mejor comprensión de las transiciones de fase en materiales de baja dimensión, que se consideran un componente importante de muchas tecnologías actualmente en desarrollo, en campos desde la electrónica hasta la medicina.

Los investigadores produjeron una descripción más precisa y unificada de cómo se comporta la curva de fusión de grafito, confirmando una transición estructural gradual en carbono líquido. Sus cálculos muestran que la temperatura de fusión del grafeno en una atmósfera de argón está cerca de la temperatura de fusión del grafito.

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Referencia: «Estudio comparativo de la fusión de grafito y grafeno» por Yu D. Fominab y VV Brazhkin, 1 de noviembre de 2019, Carbon .
DOI: 10.1016 / j.carbon.2019.10.065

El estudio reportado en esta historia fue apoyado por la Russian Science Foundation y utilizó los recursos informáticos del Complejo de Simulación y Procesamiento de Datos para Instalaciones Mega-Science, un centro federal de instalaciones de investigación compartidas en el Instituto Kurchatov.

Via: Scitechdaily.com