Суперкомпьютерное моделирование, предсказывающее пути синтеза неуловимого «супералмаза» BC8, включающие ударное сжатие предшественника алмаза, вдохновляет текущие эксперименты Discovery Science в NIF. Фото: Марк Мимбер/LLNL
Исследователи пытаются синтезировать BC8, углеродную структуру, которая, по прогнозам, будет более прочной, чем алмаз, используя результаты передового моделирования и экспериментальных усилий. Этот материал, теоретически преобладающий в экстремальных давлениях экзопланет, остается научной загадкой и имеет многообещающие применения в материаловедении.
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.
Восьми-атом 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.
Теоретические открытия и экспериментальные задачи
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.
Внеземная связь
«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.
Понимание уникальных свойств BC8
«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).
Путь к синтезу BC8
«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 атомно-молекулярного моделирования 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 помощью машинного обучения, который описывает взаимодействия между отдельными атомами с беспрецедентной квантовой точностью. точность в широком диапазоне высоких давлений и температурных режимов.
«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 высокого давления и высокой температуры фазовой диаграммы углерода».
Будущие горизонты исследований BC8
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.
Ссылка: «Чрезвычайная метастабильность алмаза и его трансформация в посталмазную фазу углерода BC8», Кьен Нгуен-Конг, Джонатан Т. Уиллман, Джозеф М. Гонсалес, Эшли С. Уильямс, Анатолий Б. Белоношко, Стэн Г. Мур , Эйдан П. Томпсон, Митчелл А. Вуд, Джон Х. Эггерт, Мариус Милло, Луис А. Сепеда-Руис и Иван И. Олейник, 25 января 2024 г., Журнал писем по физической химии.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03044.
Первый автор статьи, Кьен Нгуен Конг, бывший доктор философии. студент Олейника, сейчас работает научным сотрудником в ЛЛНЛ. Соавторы — Джонатан Уиллман, Джозеф Гонсалес и Эшли Уильямс из USF; Анатолий Белоношко из Шведского королевского технологического института; Стэн Мур, Эйдан Томпсон и Митчелл Вуд из Национальных лабораторий Сандии; и Луис Сепеда-Руис из LLNL. Работа в USF, LLNL и Sandia финансируется Национальной администрацией ядерной безопасности.