石墨“劫持”了从熔融碳到钻石的旅程

在高温高压下，熔融的碳有两种选择。它可以结晶成钻石，成为世界上最有价值的物质之一。或者，它可以结晶成石墨，这在工业上很有用，但不那么令人兴奋。

美国研究人员现已发现熔融碳“选择”一种晶体形态而非另一种的原因。他们的发现基于复杂的模拟，利用机器学习预测分子行为，对地质学、核聚变、量子计算以及工业钻石生产等多个领域具有重要意义。

监测熔融碳的结晶过程极具挑战性，因为该过程快速进行，且在实验室难以实现的条件下进行。当科学家们尝试利用高压快速加热来研究碳相图的这一区域时，他们的实验却得出了相互矛盾的结果。

更好地理解结晶点附近的相变可能带来巨大的益处。液相碳是合成人造金刚石、纳米金刚石以及用于量子计算的氮空位掺杂金刚石的已知中间体。天然矿物中金刚石的存在也可以揭示类地行星的构造过程以及地球深层碳循环。

结晶过程可详细监测

在这项新研究中，由加州大学戴维斯分校化学家戴维德·多纳迪奥（Davide Donadio）领导的团队利用机器学习加速的量子精确分子动力学模拟，模拟了当液态碳在5至30 GPa的压力下从5000 K冷却至3000 K时，金刚石和石墨是如何形成的。虽然这种极端条件可以通过激光加热来创造，但多纳迪奥指出，这样做需要高度专业化的设备。模拟还能提供一定程度的条件控制，并能够在原子尺度上监测结晶过程，而这在实验中很难甚至不可能实现。

该团队的模拟表明，熔融碳的结晶行为比此前认为的更为复杂。虽然它在较高压力下结晶成金刚石，但在较低压力（高达15 GPa）下却会形成石墨。研究人员表示，这令人惊讶，因为即使在这些略低的压力下，该材料最热力学稳定的相也应该是金刚石而不是石墨。

“自然选择阻力最小的路径”

研究团队将这种意外行为归因于一项名为奥斯特瓦尔德阶跃规则的经验观察，该规则指出，结晶过程通常通过中间亚稳态相进行，而不是直接进入热力学最稳定的相。在这种情况下，研究人员表示，石墨——一种成核亚稳态晶体——充当了“垫脚石”，因为它的结构与母体液态碳的结构更为相似。因此，它阻碍了稳定金刚石相的直接形成。

“液态碳本质上更容易先变成石墨，尽管在这种条件下钻石最终会更稳定，”论文合著者、乔治华盛顿大学土木与环境工程教授李天舒说道。“这是大自然选择阻力最小的路径。”

Donadio 表示，这项研究发表在《自然通讯》上，其获得的洞见或有助于解决历史上电加热和激光闪光加热实验之间的不一致问题。尽管这些实验旨在解析石墨-金刚石-液体三相点附近的碳相图，但各种实验细节和重结晶条件可能导致它们的体系“陷入”亚稳态石墨结构。了解这一过程的机制，可能有助于在高压高温下制造合成金刚石和纳米金刚石等碳基材料。

多纳迪奥告诉《物理世界》 ： “我研究晶体成核已有20年，一直对碳的行为很感兴趣。基于所谓经验势的研究通常不可靠，而基于从头算密度泛函理论的计算速度太慢。机器学习势使我们能够克服这些问题，实现准确性和计算速度的完美结合。”

展望未来，多纳迪奥表示，他和同事的目标是研究更复杂的化学成分。“我们还将关注目标压力和温度，就像我们太阳系巨行星内部所发现的那样。”