Wetenschap
Supercomputersimulaties van superdiamanten suggereren een pad naar de creatie ervan
Het lichaamsgecentreerde kubieke (BC8) kristal met acht atomen is een afzonderlijke koolstoffase:geen diamant, maar zeer vergelijkbaar. Er wordt voorspeld dat BC8 een sterker materiaal is en een 30% grotere weerstand tegen compressie vertoont dan diamant. Er wordt aangenomen dat het zich in het centrum van koolstofrijke exoplaneten bevindt. Als BC8 onder omgevingsomstandigheden zou kunnen worden teruggewonnen, zou het kunnen worden geclassificeerd als een superdiamant.
Er wordt theoretisch voorspeld dat deze 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 bij omgevingsomstandigheden zou een nieuw superhard materiaal zijn dat waarschijnlijk taaier zou zijn dan diamant", zegt Ivan Oleynik, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Zuid-Florida (USF) en senior auteur van een onlangs gepubliceerd artikel. in The Journal of Physical Chemistry Letters .
"Ondanks talloze pogingen om deze ongrijpbare koolstofkristallijne fase te synthetiseren, inclusief eerdere National Ignition Facility (NIF) -campagnes, moet deze nog worden waargenomen", zegt Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wetenschapper Marius Millot, die ook bij het onderzoek betrokken was. "Maar we denken dat het mogelijk voorkomt in koolstofrijke exoplaneten."
Recente astrofysische waarnemingen suggereren de plausibele aanwezigheid van koolstofrijke exoplaneten. Deze hemellichamen, die worden gekenmerkt door een aanzienlijke massa, ervaren een gigantische druk die miljoenen atmosfeer diep in hun binnenste bereikt.
“Als gevolg daarvan kunnen de extreme omstandigheden binnen deze koolstofrijke exoplaneten aanleiding geven tot structurele vormen van koolstof zoals diamant en BC8,” zegt Oleynik. "Daarom wordt een diepgaand begrip van de eigenschappen van de BC8-koolstoffase van cruciaal belang voor de ontwikkeling van nauwkeurige interieurmodellen van deze exoplaneten."
BC8 is een hogedrukfase van zowel silicium als germanium die kan worden hersteld onder omgevingsomstandigheden, en de theorie suggereert dat BC8-koolstof ook stabiel zou moeten zijn onder omgevingsomstandigheden.
LLNL-wetenschapper en co-auteur Jon Eggert zei dat de belangrijkste reden dat diamant zo hard is, is dat de tetraëdrische vorm van de vier dichtstbijzijnde atomen in de diamantstructuur perfect overeenkomt met de optimale configuratie van de vier valentie-elektronen in kolom-14-elementen. in het periodiek systeem (beginnend met koolstof, gevolgd door silicium en germanium).
"De BC8-structuur behoudt deze perfecte tetraëdrische vorm die het dichtst bij de buur ligt, maar zonder de splijtvlakken die in de diamantstructuur worden aangetroffen", zei Eggert, die het met Oleynik eens was dat "de BC8-fase van koolstof onder omgevingsomstandigheden waarschijnlijk veel taaier zou zijn dan diamant."
Via miljoenen atomaire moleculaire dynamica-simulaties op Frontier, de snelste exaschaal-supercomputer ter wereld, heeft het team de extreme metastabiliteit van diamant bij zeer hoge druk blootgelegd, waardoor het bereik van thermodynamische stabiliteit aanzienlijk werd overschreden.
De sleutel tot het succes was de ontwikkeling van een zeer accuraat interatomair machine learning-potentieel dat interacties tussen individuele atomen beschrijft met een ongekende kwantumnauwkeurigheid bij een breed scala aan hogedruk- en temperatuuromstandigheden.
"Door dit potentieel efficiënt te implementeren op GPU-gebaseerde (grafische verwerkingseenheid) Frontier, kunnen we nu nauwkeurig de tijdsevolutie van miljarden koolstofatomen onder extreme omstandigheden op experimentele tijd- en lengteschalen simuleren, " zei Oleynik. "We voorspelden dat de post-diamant BC8-fase experimenteel alleen toegankelijk zou zijn binnen een smal gebied van hoge druk en hoge temperatuur in het koolstoffasediagram."
De betekenis is tweeledig. Ten eerste verheldert het de redenen achter het onvermogen van eerdere experimenten om de ongrijpbare BC8-fase van koolstof te synthetiseren en te observeren. Deze beperking komt voort uit het feit dat BC8 alleen kan worden gesynthetiseerd binnen een zeer smal bereik van drukken en temperaturen.
Bovendien voorspelt de studie levensvatbare compressieroutes om toegang te krijgen tot dit zeer beperkte domein waar BC8-synthese haalbaar wordt. Oleynik, Eggert, Millot en anderen werken momenteel samen om deze theoretische trajecten te verkennen met behulp van Discovery Science-opnametoewijzingen op NIF.
Het team droomt ervan om ooit een BC8-superdiamant in het laboratorium te laten groeien als ze de fase maar kunnen synthetiseren en vervolgens een BC8-zaadkristal kunnen herstellen naar omgevingsomstandigheden.