Суперкомпьютерное моделирование супералмаза указывает путь к его созданию

Алмаз – самый прочный из известных материалов. Однако было предсказано, что другая форма углерода будет даже более прочной, чем алмаз. Задача состоит в том, как создать его на Земле.

Восьмиатомный объемно-центрированный кубический кристалл (BC8) представляет собой отдельную углеродную фазу: не алмаз, но очень похож. Предполагается, что BC8 будет более прочным материалом, демонстрирующим на 30% большую устойчивость к сжатию, чем алмаз. Считается, что он находится в центре богатой углеродом экзопланеты. Если бы BC8 можно было восстановить в условиях окружающей среды, его можно было бы классифицировать как супералмаз.

Теоретически прогнозируется, что эта кристаллическая фаза углерода при высоком давлении будет наиболее стабильной фазой углерода при давлениях, превышающих 10 миллионов атмосфер.

«Фаза углерода BC8 в условиях окружающей среды станет новым сверхтвердым материалом, который, вероятно, будет более прочным, чем алмаз», — сказал Иван Олейник, профессор физики Университета Южной Флориды (USF) и старший автор недавно опубликованной статьи. в Журнал писем по физической химии.

«Несмотря на многочисленные попытки синтезировать эту неуловимую кристаллическую фазу углерода, в том числе предыдущие кампании Национального центра зажигания (NIF), ее еще предстоит наблюдать», — сказал ученый Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) Мариус Милло, который также принимал участие в исследовании. «Но мы считаем, что он может существовать на богатых углеродом экзопланетах».

Недавние астрофизические наблюдения предполагают возможное присутствие богатых углеродом экзопланет. Эти небесные тела, характеризующиеся значительной массой, испытывают в своих глубоких недрах гигантское давление, достигающее миллионов атмосфер.

«Следовательно, экстремальные условия, преобладающие на этих богатых углеродом экзопланетах, могут привести к появлению структурных форм углерода, таких как алмаз и BC8», — сказал Олейник. «Поэтому углубленное понимание свойств углеродной фазы BC8 становится критически важным для разработки точных внутренних моделей этих экзопланет».

BC8 представляет собой фазу высокого давления, состоящую из кремния и германия, которую можно восстановить в условиях окружающей среды, и теория предполагает, что углерод BC8 также должен быть стабильным в условиях окружающей среды.

Ученый и соавтор LLNL Джон Эггерт сказал, что самая важная причина того, что алмаз настолько тверд, заключается в том, что тетраэдрическая форма четырех ближайших соседей атомов в структуре алмаза идеально соответствует оптимальной конфигурации четырех валентных электронов в элементах 14-го столбца. в таблице Менделеева (начиная с углерода, за ним следуют кремний и германий).

«Структура BC8 сохраняет эту идеальную тетраэдрическую форму ближайшего соседа, но без плоскостей спайности, обнаруженных в структуре алмаза», — сказал Эггерт, соглашаясь с Олейником, что «фаза углерода BC8 в условиях окружающей среды, вероятно, будет намного более прочной, чем алмаз».

Посредством многомиллионного моделирования атомно-молекулярной динамики на Frontier, самом быстром экзафлопсном суперкомпьютере в мире, команда обнаружила чрезвычайную метастабильность алмаза при очень высоких давлениях, значительно превышающих его диапазон термодинамической стабильности.

Ключом к успеху стала разработка очень точного межатомного потенциала с машинным обучением, который описывает взаимодействия между отдельными атомами с беспрецедентной квантовой точностью в широком диапазоне условий высокого давления и температуры.

«Эффективно реализуя этот потенциал на базе графического процессора Frontier, мы теперь можем точно моделировать временную эволюцию миллиардов атомов углерода в экстремальных условиях в экспериментальных масштабах времени и длины», — сказал Олейник. «Мы предсказали, что посталмазная фаза BC8 будет экспериментально доступна только в узкой области с высоким давлением и высокой температурой фазовой диаграммы углерода».

Значение двоякое. Во-первых, это объясняет причины неспособности предыдущих экспериментов синтезировать и наблюдать неуловимую фазу углерода BC8. Это ограничение возникает из-за того, что BC8 можно синтезировать только в очень узком диапазоне давлений и температур.

Кроме того, исследование предсказывает жизнеспособные пути сжатия для доступа к этому крайне ограниченному домену, где синтез BC8 становится достижимым. Олейник, Эггерт, Милло и другие в настоящее время сотрудничают в изучении этих теоретических путей, используя распределение кадров Discovery Science на NIF.

Команда мечтает однажды вырастить супералмаз BC8 в лаборатории, если только они смогут синтезировать фазу, а затем восстановить затравочный кристалл BC8 обратно в условия окружающей среды.