Российские ученые смоделировали с помощью суперкомпьютера углерод в жидком агрегатном состоянии и впервые описали его наноразмерную структуру. Исследователи пришли к выводу, что при низких давлениях жидкий углерод представляет собой смесь линейных sp-гибридизованных цепочек, структурно напоминающих карбин, то есть твердую углеродную фазу. Работа опубликована в журнале Carbon.
Хотя многое известно о свойствах твердой фазы углерода, жидкое состояние углерода до сих пор изучено не полностью. Например, ученые не обладают точными данными о температуре плавления графита, так как стабилизировать жидкий углерод при экстремально высоких температурах очень сложно.
Исследования свойств жидкого углерода проводятся с начала XX века, а во второй половине столетия ученые экспериментировали с лазерным и электроразрядным нагревом. На сегодняшний день температура плавления графита остается весьма спорной: точки плавления разбросаны в интервале температур от 3700 до 6700 К.
Ученые все еще пытаются уточнить эти значения. Тут на помощь приходят методы суперкомпьютерного моделирования: они позволяют заглянуть в области, где эксперименты пока бессильны. Используя суперкомпьютер, ученые Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института провели атомистическое моделирование жидкого состояния углерода.
Атомистическое моделирование позволяет численно описать и предсказать поведение каждого отдельного атома в небольшом объеме вещества. Такие методы чрезвычайно ресурсоемки, поэтому невозможны без суперкомпьютеров. Алгоритмы машинного обучения, уже проникшие почти во все сферы научной деятельности, помогли значительно улучшить этот метод.
В своей работе ученые применили классические методы молекулярной динамики с возможностями машинного обучения и исследовали поведение жидкого углерода при температуре от 5000 до 7000 К. Расчеты показали, что в определенном диапазоне давлений жидкий углерод существенно меняет свою структуру и напоминает смесь линейных sp-гибридизированных цепочек толщиной в один атом. Такое поведение необычно для ковалентной жидкости.
Полученные данные могут быть важны как с практической точки зрения, например для поиска новых методов синтеза углеродных наночастиц при высокой температуре, так и с более фундаментальной точки зрения: углерод при экстремально высокой температуре — частый гость в астрофизике.
Автор: Ангелина Родевич
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
