Супералмазы BC8 тверже любого известного материала, но, скорее всего, они существуют только в ядрах гигантских экзопланет. Теперь суперкомпьютер Frontier раскрыл секрет их формирования, и это открытие может привести к их производству на Земле.
Алмазы не только делают привлекательные ювелирные изделия, но и используют в различных областях по всему миру. Будучи самым твердым веществом в мире, а также благодаря своему уникальному составу, они играют важную роль во всем: от бурения современных геотермальных скважин до использования в качестве полупроводников в ядерных батареях.
Так что представьте, какие возможности могут открыться, если мы сможем создать вещество, которое будет даже прочнее самого прочного материала, известного человечеству.
На самом деле, это то, что ученые предвидели годами. Они предсказали, что материал, в котором упаковано восемь атомов углерода на каждые четыре из тех, что есть в алмазе, вероятно, существует при экстремальной температуре и давлении, которые встречаются в ядрах планет, по крайней мере в два раза больше Земли.
Создание этого «супералмаза», известного как BC8 (для восьмиатомной объемно-центрированной кубической структуры), возможно в лабораторных условиях, но условия, которые необходимо воспроизвести, мягко говоря, сложны. Репликатору необходимо достичь давления в 10 миллионов раз выше, чем давление земной атмосферы, и температур, приближающихся к температуре поверхности Солнца, поэтому проведение нескольких физических экспериментов для попытки создания BC8 немного непрактично.
Встречайте самый быстрый в мире суперкомпьютер: Frontier в лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики. Он способен прогонять миллионы ситуаций атомного моделирования на основе миллионов наборов условий, чтобы точно определить, что потребуется для образования BC8. Группа исследователей под руководством Ивана Олейника, ведущего автора исследования и профессора физики в Университете Южной Флориды, получила разрешение на доступ к Frontier, чтобы проверить, может ли он помочь им взломать код BC8, — и это сработало.
Философский камень
«Это главная задача физики высокого давления», — сказал Олейник. «Это наша версия философского камня, который, как верили средневековые алхимики, мог бы превратить свинец в золото, если бы они только смогли его найти. У алхимиков не было Frontier».
Профессор и его команда предоставили Frontier поразительное количество данных для обучения программного модуля LAMMPS (что означает Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator software module), чтобы выполнить необходимые вычисления. Олейник сказал, что другие компьютеры просто слишком сильно тормозили, чтобы запустить программу.
«Мы в основном отпечатали каждую атомную среду вокруг каждого атома в системе из миллиарда атомов, которая могла возникнуть в ходе эволюции системы при экстремальных давлениях и температурах», — сказал Олейник. «Без Frontier это было бы невозможно».
«Для этого исследования нам нужно было смоделировать более миллиарда атомов, выполняя до миллиона временных шагов в молекулярно-динамических симуляциях», — добавил он. «У нас был доступ к другим суперкомпьютерам, но ни у одного из них не было достаточно вычислительной мощности, чтобы справиться с таким количеством атомов».
«Шокирующее» открытие
После запуска LAMMPS в течение примерно 24 часов с использованием 8000 из более чем 9400 узлов Frontier, команда получила ответ, который показал уникальный и немного удивительный шаг, который был бы необходим для превращения углерода в BC8. Они обнаружили, что традиционные алмазы сначала должны были бы расплавиться, прежде чем жидкий углерод мог бы затем перестроиться в сверхпрочную структуру BC8.
«В этом смысле это новое открытие, потому что в большинстве случаев материалы переходят из одной кристаллической фазы в другую путем согласованной перестройки атомной структуры», — сказал Олейник. «Но углеродные связи, из которых состоит алмаз, настолько сильны, что нам приходится расплавлять алмаз, чтобы превратить его в новую кристаллическую фазу BC8. Так что это добавляет еще один слой к этому процессу с еще более экстремальными давлениями и температурами — в 12 миллионов раз превышающими давление атмосферы Земли и 5000 К, что близко к температуре поверхности Солнца».
Исследование показало, что такие условия можно создать с помощью серии ударных волн, и предоставило команде именно тот уровень таких волн, который нужен для достижения показателей температуры и давления, необходимых для образования BC8.
Теперь команда начинает проверять эти знания, пытаясь синтезировать BC8 в Национальном центре зажигания Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, ядерном термоядерном комплексе размером со стадион, который использует 192 мощных лазера для создания температур, превышающих 180 миллионов градусов по Фаренгейту, и давлений, превышающих 100 миллиардов земных атмосфер.
«Благодаря Frontier у нас есть хорошие шансы на успех», — заключил Олейник. «Это все еще экстремальная задача без гарантий, но мы полностью уверены в этих результатах».
В следующем видео представлена дополнительная информация о результатах.
Может ли Frontier помочь построить лучший алмаз?
Результаты исследования были опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters.
