A.S. Smolyar, FLUID SYNTHESIS OF CUBIC GRAPHITE
https://doi.org/10.15407/mineraljournal.48.01.045
UDC 54.057.549.67
FLUID SYNTHESIS OF CUBIC GRAPHITE
A.S. Smolyar 1, PhD (Technical), Senior Research Fellow
E-mail: assmolyar@ukr.net; orcid: 0009-0002-2201-6823
O.V. Pokropivny 1, PhD (Physics), Senior Research Fellow
E-mail: apokr@ukr.net; orcid: 0009-0001-1268-0635
S.M. Maloshtan 2, PhD Student
E-mail: scftechnology1@ukr.net; orcid: 0009-0001-0588-6221
V.I. Pavlyshyn 2, DrSc (Geology, Mineralogy), Prof., Head of Department
E-mail: V.I.Pavlyshyn@gmail.com; orcid: 0009-0003-1122-6494
V.O. Kuts 3, Research Fellow
V.O. Barkholenko 2, Operator Technician
E-mail: nivki65@gmail.com; orcid: 0009-0007-1350-7571
A.M. Titenko 3, PhD (Physics), Senior Research Fellow
E-mail: anttitenko@ukr.net; orcid: 0009-0000-0380-9233
M.P. Brodnikovsky 1, Dr of Philosophy, Head of Department
E-mail: nbrodnik@gmail.com, orcid: 0000-0001-7649-7373
V.E. Sheludko 1, PhD (Technical), Senior Research Fellow
E-mail: v.sheludko@ipms.kyiv.ua; orcid: 0009-0001-1070-922X
O.M. Bloshchanevich 1, Researcher
E-mail: alex.bl337777@gmail.com; orcid: 0009-0008-3624-9082
A.I. Stegniy 1, Researcher
E-mail: steg888999@gmail.com; orcid: 0009-0007-4082-4425
V.G. Khomenko 4, DrSc (Technical), docent
E-mail: v.homenko@i.ua; orcid: 0000-0003-0013-8010
1 I.M. Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of the NAS of Ukraine
3, Omeliana Pritsaka Str., Kyiv, Ukraine, 03142
2 M.P. Semenenko Institute of Geochemistry, Mineralogy and Ore Formation of the NAS of Ukraine
34, Akad. Palladin Ave., Kyiv, Ukraine, 03142
3 V.G. Baryakhtar Institute of Magnetism of the NAS of Ukraine
36-b, Acad. Vernadsky Bulvd., Kyiv, Ukraine, 03142
4 Kyiv National University of Technologies and Design
2, Mala Shyianovska Str., Kyiv, Ukraine, 01011
Language: Ukrainian
Mineralogical journal 2026, 48 (1): 45-57
Abstract: The paper presents X-ray data on the synthesis of cubic graphite and other polymorphic modifications of carbon by the reverse Boudoir reaction by the fluid method (FS, patent of Ukraine) using supercritical CO2 as a fluid and artificial diamond ASM1/0, carbon black, and metal powders as starting materials. Regardless of the type of starting material, cubic graphite was always formed as a result of the synthesis. It is shown that experiments on the fluid synthesis of carbon phases confirm some analogy with its formation in natural conditions. The new results expand the picture of the phase formation of carbon structures and fit into the framework of the proposed new model. The carbon phase cubic graphite (Gc) under conditions of fluid supercritical synthesis in a CO2 environment is easily formed (more than 50 samples were obtained from experiments with its inclusion) from many carbon compounds as starting materials. Two possible models of the phase structure are considered — as SCF-С24 and C96. In high gas pressure equipment at P less than 1 GPa (less than 104 atmospheres) and T less than 1000ºС, cubic graphite of varying degrees of perfection was obtained in many experiments. Carbon dioxide CO2 was used as a supercritical fluid at various parameters of pressure, temperature and time. The schematic diagram of the experimental equipment for fluid synthesis is presented in many of our published works. One of the synthesized samples, obtained using magnesium, is a carbon material with cubic graphite and exhibits the largest number of clear lines in X-ray patterns of all the starting substances we used: 3.28а, 3.24а, 3.16а, 2.88а, 2.51а, 2.46а, 1.970а, 1.914а, 1.635а, 1.467а. The carbon phase cubic graphite is a stable modification of carbon.
Keywords: fluid synthesis, diamond, cubic graphite, pressure, temperature.
References / Література
Aust, R.B. and Drickamer, H.G. (1963), Science, No. 140, No. 3568, pp. 817-819. https://doi.org/10.1126/science.140.3568.817
Bartoshinsky, Z.V. and Kvasnitsa, V.N. (1991), Crystal morphology of diamond from kimberlites, Nauk. dumka, Kyiv, 172 p. [in Russian].
[Бартошинский, З.В., Квасница, В.Н. (1991), Кристалломорфология алмаза из кимберлитов. Киев: Наук. думка. 172 с.]
Fedoseev, D.V., Deryagin, V.V., Varnin, V.P., Vnukov, S.P., Teremetskaya, I.G. and Polyanskaya, N.D. (1976), Dokl. AN SSSR, Vol. 228, No. 2, pp. 371-375 [in Russian].
[Федосеев, Д.В., Дерягин, В.В., Варнин, В.П., Внуков, С.П., Теремецкая, И.Г., Полянская, Н.Д. (1976), Докл. АН СССР, 228, № 2. С. 371—375.]
Fedoseev, D.V., Novikov, N.V., Vishnevsky, A.S. and Teremetskaya, Yu.G. (1981), Diamond. Handbook, Nauk. dumka, Kyiv, 76 p. [in Russian].
[Федосеев, Д.В., Новиков, Н.В., Вишневский, А.С., Теремецкая, Ю.Г. (1981), Алмаз. Справоч. Киев: Наук. думка, 76 с.]
Haiovskyi, O.V. (2016), Diamond-bearing formations of protoplatform structures of the Ukrainian Shield (on the example of the Kirovograd block), Abstr. diss. candidate geol. sci., Lviv [in Ukrainian].
[Гайовський, О.В. (2016), Алмазоносні формації протоплатформних структур Українського щита (на прикладі Кировоградського блоку): автореф. дис. … канд. геол. наук. Львів.]
Kaminsky, F.V. (2007), Non-kimberlitic diamondiferous igneous rocks: 25 years on. Journ. Geol. Society of India, Vol. 69, No. 3, pp. 557-575. https://doi.org/10.17491/jgsi/2007/690311
Kurdyumov, A.V., Britun, V.F., Borimchuk, N.I. and Yarosh, V.V. (2005), Martensitic and diffusion transformations in carbon and boron nitride during shock compression, Publ. House "Kupriyanova", Kyiv, 192 p. [in Russian].
[Курдюмов, А.В., Бритун, В.Ф., Боримчук, Н.И., Ярош, В.В. (2005), Мартенситные и диффузионные превращения в углероде и нитриде бора при ударном сжатии. Киев: Изд-во "Куприянова". 192 с.]
Kurdyumov, A.V., Malogolovets, V.G., Novikov, N.V., Pylyankevich, A.N. and Shulman, L.A. (1994), Polymorphic modifications of carbon and boron nitride, Reference ed. Metallurgy, Moscow, 318 p. [in Russian].
[Курдюмов, А.В., Малоголовец, В.Г., Новиков, Н.В., Пилянкевич, А.Н., Шульман Л.А. (1994), Полиморфные модификации углерода и нитрида бора. Справ. изд. Москва: Металлургия. 318 с.]
Kurdyumov, O.V. and Brytun, V.F. (2023), Carbon structures - real and hypothetical, Nauk. dumka, Kyiv, 297 p. [in Ukrаinian].
[Курдюмов, О.В., Бритун, В.Ф. (2023), Вуглецеві структури — реальні і гіпотетичні. Київ: Наук. думка. 297 с.]
Kuts, V.O., Smolyar, A.S., Gurin, V.G., Arkhipov, O.P., Barkholenko, V.O., Maloshtan, S.M., Khomenko, B.S. and Titenko, A.M. (2016), Fluid synthesis method and equipment for its implementation, Materials ХІV All-Ukr. Sci. and Pract. Conf. "Special Metallurgy: Yesterday, Today, Tomorrow", April 19, 2016, Kyiv, NTUU "KPI", pp. 597-616 [in Ukrainian].
[Куц, В.О., Смоляр, А.С., Гурін, В.Г., Архіпов, О.П., Бархоленко, В.О., Малоштан, С.М., Хоменко, Б.С., Тітенко, А.М. (2016), Метод флюїдного синтезу та устаткування для його реалізації. Матеріали ХІV Всеукр. наук.-практ. конф. 19 квіт. 2016 р., "Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра", Київ: НТУУ "КПІ". С. 597—616.]
Kvasnitsa, V.N., Pavlyshyn, V.I. and Matkovsky, O.I. (1990), Natural Crystals of Ukraine, Publ. House "Svit", Lviv, 120 p. [in Russian].
[Квасница, В.Н., Павлишин, В.И., Матковский, О.И. (1990), Природные кристаллы Украины. Львов: Изд-во "Свит". 120 с.]
Kvasnitsa, V.N., Kharkiv, A.D. and Zinchuk, N.N. (1994), The nature of the diamond, Nauk. dumka, Kyiv, 208 p. [in Russian].
[Квасница, В.Н., Харькив, А.Д., Зинчук, Н.Н. (1994), Природа алмаза. Киев: Наук. думка. 208 с.]
Kvasnytsya, V.M. (2024), Diamonds of Ukraine, Nauk. dumka, Kyiv, 410 p. [in Ukrainian].
[Квасниця, В.М. (2024), Діаманти України. Київ: Наук. думка. 410 с.]
Kocherzhinsky, Ju.A. (1971), Differential thermocouple up to 2450 oC and thermographic investigation of refractory silicides. Thermal Analysis (Vol. 1): Proc. of 3d ICTA (Davos). Basel: Birkhluser Verlag, 1971. pp. 549-559. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-7413-7_49
Maloshtan, S.M., Pokropivny, O.V., Smolyar, A.S., Kuts, V.O., Barkholenko, V.O. and Titenko, A.M. (2024), Mineral. Journ. (Ukraine), Vol. 46, No. 2, pp. 46-53 [in Ukrainian]. https://doi.org./10.15407.mineraljournal.46.02.046
[Малоштан, С.М., Покропивний, О.В., Смоляр, А.С., Куц, В.О., Бархоленко, В.О., Тітенко, А.М. (2024), Мінерал. журн. 46, № 2. С. 46—53.]
Man, L.I., Malinovsky, Yu.A. and Semiletov, S.A. (1990), Crystalline phases of carbon. Crystallography, Vol. 35, Iss. 4, pp. 1029-1039 [in Russian].
[Ман, Л.И., Малиновский, Ю.А., Семилетов, С.А. (1990), Кристаллические фазы углерода. Кристаллография. 35, Вып. 4. С. 1029—1039.]
Melnyk, Yu.P. (1978), Thermodynamic properties of gases in the conditions of deep petrogenesis, Nauk. dumka, Kyiv, 152 p. [in Russian].
[Мельник, Ю.П. (1978), Термодинамические свойства газов в условиях глубинного петрогенеза. Киев: Наук. думка. 152 с.]
Pokropivny, A.V., Enyashin, A.N., Smolyar, A.S., Kuts, V.A., Gurin, V.G., Antipov, S.A., Silenko, P.M. and Solonin, Yu.M. (2020), Supercritical fluid synthesis and possible properties of "cubic graphite", Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 11 (4), pp. 1-9. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2020-11-4-408-416
Pokropivny, V.V. and Bekenev, V.L. (2005), Electronic Structure of Novel Carbon Allotrope, the Simple Cubic Fullerite SCF-C24 ("Cubic Graphite") as Prospective Low-Dielectric Molecular Semiconductor. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, Vol. 13, pp. 415-426. https://doi.org/10.1081/FST-200039418
Pokropivny, V.V., Smolyar, A.S., Pokropivny, A.V., Bekenev, V.L. (2007), The 2nd Int. Workshop on Smart Materials and Structures, held in Kiel, Germany, from 29-31 Aug. 2007, p. 140.
Pokropyvny, V.V., Smolyar, A.S., Maloshtan, S.M., Kuts, V.O., Hurin, V.G., Arkhipov, O.P., Pokropyvnyi, O.V. and Barkholenko, V.O. (2010), Fluid synthesis of new polymorphic modifications of carbon and boron nitride, Alfa-Reklama, Kyiv, 168 p. [in Ukrainian].
[Покропивний, В.В., Смоляр, А.С., Малоштан, С.М., Куц, В.О., Гурін, В.Г., Архіпов, О.П., Покропивний, О.В., Бархоленко, В.О. (2010), Флюїдний синтез нових поліморфних модифікацій вуглецю і нітриду бору. Київ: Альфа-Реклама. 168 с.]
Pokropyvny, V.V. (2005), Structures of unconventional allotropic modifications of carbon and polymorphic phases of boron nitride, Nanostructure Materials Science, No. 1, Kyiv, pp. 39-56 [in Russian].
[Покропивный, В.В. (2005), Структуры нетрадиционных аллотропных модификаций углерода и полиморфных фаз нитрида бора. Наноструктурное материаловедение. № 1. с. 39—56.]
Pokropivny, V.V. and Pokropivny, A.V. (2004), Structure of "cubic graphite" — simple cubic fullerite C24, FTT, Vol. 46, Iss. 2, pp. 380-382 [in Russian]. https://doi.org/10.1134/1.1649442
[Покропивный, В.В., Покропивный, А.В. (2004), Cтруктура "кубического графита" — простой кубический фуллерит С24. ФТТ. 46, вып. 2. с. 380—382.]
Shterenberg, L. and Bogdanova, S. (1979), Inorg. Mat., No. 15, p. 632, Pattern No. 46-943.
Shumilova, T.G., Kablis, G.N. and Pushkarev, E.V. (2002), Typomorphic features of graphite mineralization of possible alternative high-pressure sources of diamonds, Dokl. Ros. Akad. Nauk, Vol. 387, No. 1, pp. 98-101 [in Russian].
[Шумилова, Т.Г., Каблис, Г.Н., Пушкарев, Е.В. (2002), Типоморфные особенности графитовой минерализации возможных альтернативных высокобарических источников алмазов. Докл. Рос. акад. наук. 387, № 1. С. 98—101.]
Shumilova, T.G. (2003a), Mineralogy of native carbon. Abstr. diss. DrSc geol.-mineral. sci., Syktyvkar [in Russian].
[Шумилова, Т.Г. (2003a), Минералогия самородного углерода: автореф. дис. … д-ра геол.-мин. наук. Сыктывкар.]
Shumilova, T.G. (2003b), Mineralogy of native carbon, Ural Branch RAS, Ekaterinburg, 315 p. [in Russian].
[Шумилова, Т.Г. (2003b), Минералогия самородного углерода. Екатеринбург: УрО РАН. 315 с.]
Smolyar, A.S. and Malik, V.R. (1996), Thermodynamic aspects of diamond formation from fluid, Superhard material, No. 2, pp. 35-43 [in Russian].
[Смоляр, А.С., Малик, В.Р. (1996), Термодинамические аспекты образования алмазов из флюида. Сверхтвердые материалы. № 2. С. 35—43.]
Smolyar, A.S., Sozin, Yu.I., Barkholenko, V.A., Maloshtan, S.N., Kuts, V.A., Hurin, V.G., Arkhipov, A.P., Gerasimov, A.Yu., Razvadovsky, N.A. and Titenko, A.N. (2002a), On the question of the existence of cubic graphite, Superhard material, No. 2, pp. 79-81 [in Russian].
[Смоляр, А.С., Созин, Ю.И., Бархоленко, В.А., Малоштан, С.Н., Куц, В.А., Гурин, В.Г., Архипов, А.П., Герасимов, А.Ю., Развадовский, Н.А., Титенко, А.Н. (2002a), К вопросу о существовании кубического графита. Сверхтвердые материалы. № 2. С. 79—81.]
Smolyar, A.S., Zolotarenko, O.P., Pokropivny, O.V., Kuts, V.O., Gurin, V.G., Nevdacha, V.V., Arkhipov, S.O., Barkholenko, V.O., Maloshtan, S.M., Gerasimov, O.Yu., Shchur, D.V., Burkhan, A.O., Bloshchanevich, O.M., Titenko, A.M. and Khomenko, B.S. (2014), Fluid Synthesis of Carbon Phase, Nanosystems, nanomaterials, nanotechnologies, Vol. 12, Iss. 4, Kyiv, pp. 675-704 [in Ukrainian].
[Смоляр, А.С., Золотаренко, О.П., Покропивний, О.В., Куц, В.О., Гурін, В.Г., Невдача, В.В., Архiпов, С.О., Бархоленко, В.О., Малоштан, С.М., Герасимов, О.Ю., Щур, Д.В., Бурхан, А.О., Блощаневич, О.М., Тітенко, А.М., Хоменко, Б.С. (2014), Флюїдний синтез фаз вуглецю. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. 12, Вип. 4. С. 675—704.]
Smolyar, A.S., Barkholenko, V.O., Kuts, V.O., Hurin, V.G., Arkhipov, O.P., Maloshtan, S.M., Razvadovskyi, M.A., Sviato, V.P. and Klymovych, A.P. (2002b), Method of synthesis of crystalline materials, mainly oxide. Patent of Ukraine for invention No. 31415, Industrial Property Bull. No. 6 (priority from 08.27.1998) [in Ukrainian].
[Смоляр, А.С., Бархоленко, В.О., Куц, В.О., Гурін, В.Г., Архіпов, О.П., Малоштан, С.М., Развадовський, М.А., Свято, В.П., Климович, А.П. (2002b), Спосіб синтезу кристалічних матеріалів, переважно оксидних. Патент України на винахід № 31415. Промислова власність. Бюл. № 6 (пріоритет від 27.08.1998 р.)]
Voznyak, D.K. (2007), Microinclusions and reconstruction of endogenous mineral formation conditions, Nauk. dumka, Kyiv, 280 p. [in Ukrainian].
[Возняк, Д.К. (2007), Мікровключення та реконструкція умов ендогенного мінералоутворення. Київ: Наук. думка. 280 с.]
Yushkin, N.P. (2003), Key Problems of Carbon Geochemistry and Mineralogy. Abstr. papers "Carbon: Mineralogy, Geochemistry and Cosmology." Proc. Int. Conf., Komi Republic, June 24-26, Syktyvkar, p. 6 [in Russian].
[Юшкин, Н.П. (2003), Узловые проблемы геохимии и минералогии углерода. Тез. докл. "Углерод: минералогия, геохимия и космология" Материалы Междунар. конф. Сыктывкар: Республ. Коми, 24-26 июня. С. 6.]