Supercomputer-simuleringer af super-diamant antyder en vej til dens skabelse

Diamant er det stærkeste materiale man kender. Imidlertid er en anden form for kulstof blevet forudsagt at være endnu hårdere end diamant. Udfordringen er, hvordan man skaber det på Jorden.

Den otte-atomede kropscentrerede kubiske (BC8) krystal er en særskilt kulstoffase:ikke diamant, men meget ens. BC8 forventes at være et stærkere materiale, der udviser en 30% større modstand mod kompression end diamant. Det menes at være fundet i centrum af kulstofrige exoplaneter. Hvis BC8 kunne genvindes under omgivende forhold, kunne den klassificeres som en super-diamant.

Denne krystallinske højtryksfase af kulstof er teoretisk forudsagt at være den mest stabile kulstoffase under tryk, der overstiger 10 millioner atmosfærer.

"BC8-fasen af ​​kulstof ved omgivende forhold ville være et nyt superhårdt materiale, der sandsynligvis ville være sejere end diamant," sagde Ivan Oleynik, fysikprofessor ved University of South Florida (USF) og seniorforfatter til en for nylig offentliggjort artikel i The Journal of Physical Chemistry Letters .

"På trods af adskillige bestræbelser på at syntetisere denne undvigende kulstofkrystallinske fase, inklusive tidligere National Ignition Facility (NIF) kampagner, er den endnu ikke observeret," sagde Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) videnskabsmand Marius Millot, som også var involveret i forskningen. "Men vi tror, ​​det kan eksistere i kulstofrige exoplaneter."

Nylige astrofysiske observationer tyder på den sandsynlige tilstedeværelse af kulstofrige exoplaneter. Disse himmellegemer, karakteriseret ved en betydelig masse, oplever gigantiske tryk, der når millioner af atmosfærer i deres dybe indre.

"Derfor kan de ekstreme forhold, der hersker inden for disse kulstofrige exoplaneter, give anledning til strukturelle former for kulstof såsom diamant og BC8," sagde Oleynik. "Derfor bliver en dybtgående forståelse af egenskaberne af BC8-carbonfasen afgørende for udviklingen af ​​nøjagtige indvendige modeller af disse exoplaneter."

BC8 er en højtryksfase af både silicium og germanium, der kan genanvendes til omgivelsesbetingelser, og teorien tyder på, at BC8-kulstof også bør være stabilt under omgivende forhold.

LLNL videnskabsmand og medforfatter Jon Eggert sagde, at den vigtigste grund til, at diamant er så hård, er, at den tetraedriske form af de fire-nærmeste nabo-atomer i diamantstrukturen perfekt matcher den optimale konfiguration af de fire valenselektroner i kolonne-14 elementer i det periodiske system (begynder med kulstof, efterfulgt af silicium og germanium).

"BC8-strukturen bevarer denne perfekte tetraedriske nærmest-nabo-form, men uden de spaltningsplaner, der findes i diamantstrukturen," sagde Eggert og var enig med Oleynik i, at "BC8-fasen af ​​kulstof under omgivende forhold sandsynligvis ville være meget hårdere end diamant."

Gennem multi-million atomare molekylær-dynamik-simuleringer på Frontier, den hurtigste exascale supercomputer i verden, afslørede holdet diamantens ekstreme metastabilitet ved meget høje tryk, hvilket væsentligt oversteg dens rækkevidde af termodynamisk stabilitet.

Nøglen til succesen var udviklingen af ​​et meget nøjagtigt interatomisk maskinlæringspotentiale, der beskriver interaktioner mellem individuelle atomer med hidtil uset kvantepræcision ved en bred vifte af højtryks- og temperaturforhold.

"Ved effektivt at implementere dette potentiale på GPU-baseret (grafikbehandlingsenhed) Frontier, kan vi nu nøjagtigt simulere tidsudviklingen af ​​milliarder af kulstofatomer under ekstreme forhold på eksperimentelle tids- og længdeskalaer," sagde Oleynik. "Vi forudsagde, at post-diamant BC8-fasen kun ville være eksperimentelt tilgængelig inden for et snævert højtryks- og højtemperaturområde i kulstoffasediagrammet."

Betydningen er dobbelt. For det første belyser det årsagerne bag tidligere eksperimenters manglende evne til at syntetisere og observere den undvigende BC8-fase af kulstof. Denne begrænsning skyldes det faktum, at BC8 kun kan syntetiseres inden for et meget snævert område af tryk og temperaturer.

Derudover forudsiger undersøgelsen levedygtige kompressionsveje for at få adgang til dette stærkt begrænsede domæne, hvor BC8-syntese bliver opnåelig. Oleynik, Eggert, Millot og andre samarbejder i øjeblikket om at udforske disse teoretiske veje ved hjælp af Discovery Science skudallokeringer på NIF.

Holdet drømmer om en dag at dyrke en BC8-superdiamant i laboratoriet, hvis bare de kunne syntetisere fasen og derefter genvinde en BC8-frøkrystal tilbage til de omgivende forhold.

Flere oplysninger: Kien Nguyen-Cong et al., Extreme Metastability of Diamond and its Transformation to the BC8 Post-Diamond Phase of Carbon, The Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03044

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry Letters

Leveret af Lawrence Livermore National Laboratory