Вчені розгадують код супердіамантового синтезу

Дослідники намагаються синтезувати BC8, вуглецеву структуру, яка, за прогнозами, буде міцнішою за алмаз, використовуючи дані передового моделювання та експериментальних зусиль. Цей матеріал, теоретично поширений в екстремальних тисках екзопланет, залишається науковою загадкою з перспективним застосуванням у матеріалознавстві.

Алмаз — найміцніший відомий матеріал. Проте інша форма вуглецю, за прогнозами, буде ще міцнішою, ніж алмаз. Завдання полягає в тому, як створити його на Землі.

Восьмиатомний об’ємноцентрований кубічний кристал (BC8) є окремою вуглецевою фазою: не алмазом, але дуже схожим. Передбачається, що BC8 буде міцнішим матеріалом, демонструючи на 30% більший опір стиску, ніж алмаз. Вважається, що він знаходиться в центрі багатих вуглецем екзопланет. Якби BC8 можна було відновити в умовах навколишнього середовища, його можна було б класифікувати як супералмаз.

Теоретичні ідеї та експериментальні виклики

Теоретично передбачається, що ця кристалічна фаза вуглецю під високим тиском є ​​найбільш стабільною фазою вуглецю під тиском, що перевищує 10 мільйонів атмосфер.

«Фаза BC8 вуглецю в умовах навколишнього середовища буде новим надтвердим матеріалом, який, ймовірно, буде міцнішим за алмаз», — сказав Іван Олійник, професор фізики Університету Південної Флориди (USF) і старший автор нещодавно опублікованої статті. у The Journal of Physical Chemistry Letters.

Позаземний зв’язок

«Незважаючи на численні спроби синтезувати цю невловиму кристалічну фазу вуглецю, включаючи попередні кампанії National Ignition Facility (NIF), її досі не спостерігали», — сказав Маріус Міллот, науковий співробітник Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL), який також брав участь у дослідженні. «Але ми вважаємо, що він може існувати на багатих вуглецем екзопланетах».

Нещодавні астрофізичні спостереження свідчать про ймовірну наявність багатих вуглецем екзопланет. Ці небесні тіла, що характеризуються значною масою, відчувають гігантський тиск, що досягає мільйонів атмосфер у своїх глибинах.

Розуміння унікальних властивостей BC8

«Отже, екстремальні умови, що панують на цих багатих вуглецем екзопланетах, можуть призвести до появи структурних форм вуглецю, таких як алмаз і BC8», — сказав Олійник. «Тому глибоке розуміння властивостей вуглецевої фази BC8 стає критичним для розробки точних внутрішніх моделей цих екзопланет».

BC8 — це фаза високого тиску як кремнію, так і германію, яку можна відновити до умов навколишнього середовища, і теорія припускає, що вуглець BC8 також має бути стабільним за умов навколишнього середовища. Вчений і співавтор LLNL Джон Еггерт сказав, що найважливіша причина того, що алмаз такий твердий, полягає в тому, що тетраедрична форма чотирьох найближчих сусідніх атомів у структурі алмазу ідеально відповідає оптимальній конфігурації чотирьох валентних електронів в елементах стовпця 14. у періодичній системі (починаючи з вуглецю, потім йдуть кремній і германій).

Шлях до синтезу BC8

«Структура BC8 зберігає ідеальну тетраедричну форму найближчого сусіда, але без площин спайності, які є в алмазній структурі», — сказав Еггерт, погоджуючись з Олійником, що «фаза вуглецю BC8 в умовах навколишнього середовища, ймовірно, буде набагато міцнішою, ніж алмаз».

Завдяки багатомільйонному моделюванню атомної молекулярної динаміки на Frontier, найшвидшому ексамасштабному суперкомп’ютері у світі, команда виявила надзвичайну метастабільність алмазу при дуже високому тиску, що значно перевищує його діапазон термодинамічної стабільності. Ключем до успіху стала розробка дуже точного міжатомного потенціалу машинного навчання, який описує взаємодії між окремими атомами з безпрецедентною квантовою точністю в широкому діапазоні умов високого тиску та температури.

«Ефективно реалізувавши цей потенціал на базі GPU (графічний процесор) Frontier, тепер ми можемо точно симулювати часову еволюцію мільярдів атомів вуглецю в екстремальних умовах в експериментальних масштабах часу та довжини», — сказав Олійник. «Ми передбачили, що пост-алмазна фаза BC8 буде експериментально доступна лише у вузькій області високого тиску та високої температури вуглецевої фазової діаграми».

Майбутні горизонти в дослідженнях BC8

Значення подвійне. По-перше, це з’ясовує причини неможливості попередніх експериментів синтезувати та спостерігати невловиму фазу вуглецю BC8. Це обмеження виникає через те, що BC8 можна синтезувати лише в дуже вузькому діапазоні тисків і температур. Крім того, дослідження передбачає життєздатні шляхи стиснення для доступу до цього суворо обмеженого домену, де синтез BC8 стає досяжним. Олійник, Еггерт, Міллот та інші зараз співпрацюють, щоб дослідити ці теоретичні шляхи, використовуючи розподіл кадрів Discovery Science на NIF.

Команда мріє одного дня виростити супералмаз BC8 у лабораторії, якщо тільки вони зможуть синтезувати фазу, а потім повернути затравковий кристал BC8 назад до умов навколишнього середовища.