From soft to superhard: Fifty years of experiments on cold-compressed graphite

In recent years there have been numerous computational studies predicting the nature of cold-compressed graphite yielding a proverbial alphabet soup of carbon structures (e.g., bct-C4, K4-, M-, H-, R-, S-, T-, W- and Z-carbon). Although theoretical methods have improved, the inherent nature of graphite (i.e., low-Z) and the subsequent room-temperature, high-pressure phase transition (i.e., low symmetry, nanocrystalline and sluggish), make experimental measurements difficult to execute and interpret even with the current technology of 3rd generation synchrotron sources. The room-temperature, high-pressure phase transition of graphite has been detected by numerous kinds of experiments over the past fifty years, such as electrical resistance measurements, optical microscopy, X-ray diffraction, inelastic X-ray scattering, and Raman spectroscopy. However, the identification and characterization of high-pressure graphite is replete with controversy since its discovery more than fifty years ago. Recent experiments confirm that this phase has a monoclinic structure, consistent with the M-carbon phase predicted by theoretical computations. Meanwhile, experiments demonstrate that the phase transition is sluggish and kinetics is important in discerning the phase boundary. Additionally, the post-graphite phase appears to be superhard with hardness comparable to that of diamond.В останні роки було проведено велику кількість чисельних досліджень, що прогнозують основні властивості графіту, підданого стисненню при кімнатній температурі, в результаті чого виникає загальновідомий “алфавітний суп” з вуглецевих структур (наприклад, bct-C₄, K₄-, M- , H-, R-, S-, T-, W-і Z-вуглець). Тоді як теоретичні методи стали більш досконалими, природа, притаманна графіту (тобто низьке Z), і подальший фазовий перехід при кімнатній температурі і високому тиску (низькосиметричний, нанокристалічний і млявий) роблять експериментальні вимірювання важко здійсненними і їх складно інтерпретувати навіть із застосуванням сучасної технології, що використовує 3-е покоління синхротронних джерел. За минулі 50 років фазовий перехід графіту при кімнатній температурі і високому тиску був виявлений багатьма видами експериментів, таких як вимірювання електроопору, оптична мікроскопія, дифракція рентгенівських променів, непружне розсіювання рентгенівських променів і раманівська спектроскопія. Однак з дня його відкриття більше 50 років тому ідентифікація та отримані характеристики графіту високого тиску повні суперечностей. Недавні експерименти підтверджують, що ця фаза має моноклинну структуру, узгоджується з М-вуглецевої фазою, передбаченою теоретичними розрахунками. Поки експерименти демонструють, що фазовий перехід є повільним, а при розпізнаванні фазових границь важливе значення має кінетика процесу. Крім того, пост-графітова фаза є надтвердою, за твердістю близькою до алмазу.В последние годы было проведено большое количество численных исследований, предсказывающих основные свойства графита, подвергнутого сжатию при комнатной температуре, в результате чего возникает пресловутый “алфавитный суп” из углеродных структур (например, bct-C₄, K₄-, M-, H-, R-, S-, T-, W- и Z-углерод). В то время как теоретические методы стали более совершенными, природа, присущая графиту (т. е. низкое Z), и последующий фазовый переход при комнатной температуре и высоком давлении (низкосимметричный, нанокристаллический и вялый) делают экспериментальные измерения трудно выполнимыми и их сложно интерпретировать даже с применением современной технологии, использующей 3-е поколение синхротронных источников. За прошедшие 50 лет фазовый переход графита при комнатной температуре и высоком давлении был обнаружен многими видами экспериментов, таких как измерения электросопротивления, оптическая микроскопия, дифракция рентгеновских лучей, неупругое рассеяние рентгеновских лучей и рамановская спектроскопия.. Однако со дня его открытия более 50 лет назад идентификация и полученные характеристики графита высокого давления полны противоречий. Недавние эксперименты подтверждают, что эта фаза имеет моноклинную структуру, согласующуюся с М-углеродной фазой, предсказанной теоретическими расчетами. Пока эксперименты демонстрируют, что фазовый переход является медленным, а при распознавании фазовых границ важное значение имеет кинетика процесса. Кроме того, пост-графитовая фаза является сверхтвердой, по твердости близкой алмазу