Superkomputerowe symulacje superdiamentów sugerują ścieżkę ich tworzenia

Diament jest najmocniejszym znanym materiałem. Oczekuje się jednak, że inna forma węgla będzie twardsza niż diament. Wyzwanie polega na tym, jak stworzyć to na ziemi.

Wyśrodkowany na ciele oktaedryczny kryształ sześcienny (BC8) jest odrębną fazą węglową: nie diamentową, ale bardzo podobną. Oczekuje się, że BC8 będzie mocniejszym materiałem, wykazującym o 30% większą wytrzymałość na ściskanie niż diament. Uważa się, że można ją znaleźć w centrach egzoplanet bogatych w węgiel. Jeśli BC8 uda się odzyskać w warunkach otoczenia, można go sklasyfikować jako superdiament.

Teoretycznie oczekuje się, że krystaliczna faza węgla pod wysokim ciśnieniem będzie najbardziej stabilną fazą węgla pod ciśnieniami przekraczającymi 10 milionów atmosfer.

„Faza węgla BC8 w warunkach otoczenia byłaby nowym, supertwardym materiałem, który prawdopodobnie będzie mocniejszy od diamentu” – powiedział Ivan Oleinik, profesor fizyki na Uniwersytecie Południowej Florydy (USF) i główny autor niedawno opublikowanej pracy. W Journal of Physical Chemistry Letters.

„Pomimo licznych wysiłków mających na celu syntezę tej nieuchwytnej fazy krystalicznej węgla, w tym poprzednich kampanii National Ignition Facility (NIF), nigdy jej nie zaobserwowano” – powiedział Marius Mellot, naukowiec z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), który również był zaangażowany w badania. Po”. „Ale uważamy, że może być obecny na egzoplanetach bogatych w węgiel”.

Niedawne obserwacje astrofizyczne wskazują na prawdopodobne istnienie egzoplanet bogatych w węgiel. Te ciała niebieskie, które charakteryzują się dużą masą, poddane są w ich głębokim wnętrzu działaniu ogromnych ciśnień sięgających milionów atmosfer.

„W rezultacie ekstremalne warunki panujące na tych bogatych w węgiel egzoplanetach mogą powodować powstawanie strukturalnych form węgla, takich jak diamenty i BC8” – powiedział Oleinik. „Dlatego dogłębne zrozumienie właściwości fazy węglowej BC8 staje się kluczowe dla opracowania dokładnych modeli wnętrz tych egzoplanet”.

BC8 to wysokociśnieniowa faza krzemu i germanu, którą można odzyskać w warunkach otoczenia, a teoria sugeruje, że BC8 powinien być również stabilny w warunkach otoczenia.

Najważniejszym powodem, dla którego diament jest tak twardy, jest to, że czworościenny kształt czterech sąsiednich atomów w strukturze diamentu odpowiada dokładnie optymalnej konfiguracji czterech elektronów walencyjnych w pierwiastkach 14. kolumny układu okresowego (zaczynając od węgla, a następnie krzemu i german), powiedział naukowiec i współautor LLNL, John Eggert.

„Struktura BC8 zachowuje idealny kształt najbliższego czworościennego sąsiada, ale bez płaszczyzn rozszczepienia występujących w strukturze diamentu” – powiedział Eggert, zgadzając się z Oleinikiem, że „faza węgla BC8 w warunkach otoczenia byłaby prawdopodobnie znacznie twardsza niż diament. ”

Dzięki symulacjom atomowej dynamiki molekularnej na Frontier, najszybszym na świecie superkomputerze eksaskalowym, zespół odkrył ekstremalną stabilność diamentu przy bardzo wysokich ciśnieniach, znacznie wykraczających poza zakres stabilności termodynamicznej.

Kluczem do sukcesu było opracowanie bardzo dokładnych możliwości międzyatomowych na potrzeby uczenia maszynowego, które opisują interakcje między poszczególnymi atomami z niespotykaną dotąd precyzją ilościową w szerokim zakresie warunków wysokiego ciśnienia i temperatury.

„Skutecznie wdrażając tę ​​funkcję w procesorze graficznym Frontier, możemy teraz dokładnie symulować czasową ewolucję miliardów atomów węgla w ekstremalnych warunkach, w eksperymentalnych skalach czasu i długości” – powiedział Olenik. „Spodziewaliśmy się, że faza po diamentie BC8 będzie dostępna jedynie eksperymentalnie w wąskim obszarze diagramu fazowego węgla, charakteryzującego się wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą”.

Znaczenie jest podwójne. Po pierwsze, wyjaśnia przyczyny niemożności przeprowadzenia wcześniejszych eksperymentów syntezy i obserwacji nieuchwytnej fazy węgla BC8. Ograniczenie to wynika z faktu, że BC8 można wytwarzać jedynie w bardzo wąskim zakresie ciśnień i temperatur.

Ponadto w badaniu przewidziano realne ścieżki stresu prowadzące do tej wysoce ograniczonej domeny, w której możliwa staje się synteza BC8. Oleynik, Eggert, Millot i inni współpracują obecnie nad badaniem tych teoretycznych ścieżek przy użyciu alokacji migawek Discovery Science w NIF.

Zespół marzy o tym, aby pewnego dnia wyhodować w laboratorium diamenty super-BC8, jeśli tylko uda mu się wyprodukować stopień, a następnie odzyskać kryształ zaszczepiający BC8 i przywrócić go do warunków otoczenia.