Supercomputersimulaties van superdiamanten suggereren een manier om ze te creëren

Diamant is het sterkste materiaal dat we kennen. Er wordt echter verwacht dat een andere vorm van koolstof harder is dan diamant. De uitdaging is hoe je dit op de grond kunt creëren.

Het op het lichaam gecentreerde octaëdrische kubieke kristal (BC8) is een duidelijke koolstoffase: geen diamant, maar zeer vergelijkbaar. Er wordt verwacht dat BC8 een sterker materiaal is, met een 30% grotere druksterkte dan diamant. Er wordt aangenomen dat het zich in het centrum van koolstofrijke exoplaneten bevindt. Als BC8 onder omgevingsomstandigheden kan worden teruggewonnen, kan het worden geclassificeerd als een superdiamant.

Theoretisch wordt verwacht dat de kristallijne hogedrukfase van koolstof de meest stabiele fase van koolstof is onder een druk van meer dan 10 miljoen atmosfeer.

“De BC8-fase van koolstof onder omgevingsomstandigheden zou een nieuw superhard materiaal zijn dat waarschijnlijk sterker zal zijn dan diamant”, zegt Ivan Oleinik, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Zuid-Florida (USF) en hoofdauteur van een onlangs gepubliceerd artikel. in Journal of Physical Chemistry Letters.

“Ondanks talloze pogingen om deze ongrijpbare koolstofkristallijne fase te synthetiseren, inclusief eerdere National Ignition Facility (NIF)-campagnes, is deze nooit waargenomen”, zegt Marius Mellot, een wetenschapper van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) die ook bij het onderzoek betrokken was. na”. “Maar we denken dat het aanwezig kan zijn op koolstofrijke exoplaneten.”

Recente astrofysische waarnemingen wijzen op het plausibele bestaan ​​van koolstofrijke exoplaneten. Deze hemellichamen, die worden gekenmerkt door een grote massa, worden blootgesteld aan enorme drukken die miljoenen atmosferen in hun diepe binnenste bereiken.

“Als gevolg daarvan kunnen de extreme omstandigheden binnen deze koolstofrijke exoplaneten aanleiding geven tot structurele vormen van koolstof zoals diamanten en BC8,” zegt Oleinik. “Daarom wordt een diepgaand begrip van de eigenschappen van de BC8-koolstoffase cruciaal voor het ontwikkelen van nauwkeurige interieurmodellen van deze exoplaneten.”

BC8 is een hogedrukfase van zowel silicium als germanium die kan worden teruggewonnen onder omgevingsomstandigheden, en de theorie suggereert dat BC8 ook stabiel zou moeten zijn onder omgevingsomstandigheden.

De belangrijkste reden waarom diamant zo hard is, is dat de tetraëdrische vorm van de vier aangrenzende atomen in de structuur van diamant precies overeenkomt met de optimale configuratie van de vier valentie-elektronen in de elementen van kolom 14 van het periodiek systeem (beginnend met koolstof, gevolgd door silicium). en germanium), zei LLNL-wetenschapper en co-auteur John Eggert.

“De BC8-structuur behoudt deze perfecte vorm van de dichtstbijzijnde tetraëdrische buur, maar zonder de splijtvlakken die in de diamantstructuur voorkomen,” zei Eggert, die het met Oleinik eens was dat “de BC8-fase van koolstof onder omgevingsomstandigheden waarschijnlijk veel harder zou zijn dan diamant. ”

Door middel van atomaire moleculaire dynamica-simulaties op Frontier, 's werelds snelste exaschaal-supercomputer, ontdekte het team de extreme stabiliteit van diamant bij zeer hoge drukken, ver buiten het bereik van thermodynamische stabiliteit.

De sleutel tot succes was de ontwikkeling van zeer nauwkeurige interatomaire mogelijkheden voor machinaal leren, die interacties tussen individuele atomen beschrijven met ongekende kwantitatieve precisie over een breed scala aan hogedruk- en temperatuuromstandigheden.

“Door deze mogelijkheid effectief te implementeren op de Frontier GPU, kunnen we nu nauwkeurig de temporele evolutie van miljarden koolstofatomen onder extreme omstandigheden op experimentele tijd- en lengteschalen simuleren”, aldus Olenik. “We verwachtten dat de post-diamant BC8-fase alleen experimenteel toegankelijk zou zijn binnen een smal, hogedruk- en hogetemperatuurgebied van het koolstoffasediagram.”

Het belang is tweeledig. Ten eerste verklaart het de redenen achter het onvermogen van eerdere experimenten om de ongrijpbare BC8-fase van koolstof te synthetiseren en te observeren. Deze beperking vloeit voort uit het feit dat BC8 alleen kan worden vervaardigd binnen een zeer smal bereik van drukken en temperaturen.

Bovendien voorspelt de studie levensvatbare stressroutes om dit zeer beperkte domein te bereiken waar BC8-synthese mogelijk wordt. Oleynik, Eggert, Millot en anderen werken momenteel samen om deze theoretische trajecten te verkennen met behulp van Discovery Science snapshot-allocaties op NIF.

Het team droomt ervan om op een dag super-BC8-diamanten in het laboratorium te laten groeien als ze alleen maar het podium kunnen vervaardigen en vervolgens het BC8-zaadkristal kunnen terugwinnen en terugbrengen naar omgevingsomstandigheden.