Всем известно, что алмаз является самым твердым минералом в мире, но когда-нибудь это может измениться. Самый мощный суперкомпьютер в мире предсказал существование еще более прочного материала. Так называемый “супералмаз” с большой вероятностью существует в ядрах определенных экзопланет, а последняя компьютерная симуляция подсказала возможные способы его изготовления на Земле.
Как и обычные алмазы, новый смоделированный минерал полностью состоит из атомов углерода, но его кристаллическая структура совсем иная. Восьмиатомная кубическая решетка с объемно-центрированным расположением (BC8) технически не является алмазом, но представляет собой отдельную фазу углерода, которая требует еще более высоких температур и давления для своего формирования. Суперкомпьютер Frontier в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) определил стабильную структуру углерода BC8 и предсказал, что этот материал может быть на 30% прочнее алмазов. В этой конформации сохраняется "идеальное" тетраэдрическое расположение атомов без плоскостей расщепления, характерных для обычного алмаза.
Ученые давно предполагали, что углерод BC8 может существовать, поскольку у углерода, как и у других элементов в том же столбце периодической таблицы Менделеева, четыре валентных электрона, и эти материалы имеют конформации BC8. В Национальном центре зажигания (NIF) уже предпринимались попытки создать супералмаз, но они не увенчались успехом. Однако новые данные от Frontier могут указать путь к успеху.
«Мы предсказывали, что посталмазная фаза BC8 будет экспериментально получена только в узком диапазоне высоких давлений и температур на фазовой диаграмме углерода», — сказал Иван Олейник, физик из Университета Южной Флориды (USF) и ведущий автор статьи. Углерод BC8 может быть наиболее стабильной формой элемента при давлении более 10 миллионов атмосфер. Недавние наблюдения с помощью таких инструментов, как космический телескоп Джеймса Уэбба, выявили богатые углеродом экзопланеты, внутреннее давление которых может быть достаточно высоким для образования кристаллов углерода BC8.
Ключевым моментом в этой работе стала разработка сверхточной модели, описывающей межатомный потенциал. Система Frontier, обладающая эксафлопсной производительностью, смогла не только описать структуру сверхтвердого алмаза BC8, но и определить необходимую комбинацию температуры и давления для его создания. Команда LLNL надеется однажды вырастить супералмазы BC8 в лаборатории с помощью процесса, называемого двойным ударным сжатием, и есть основания полагать, что этот материал может остаться стабильным в менее экстремальных условиях. Конформации BC8 кремния и германия образуются при высоком давлении, но их можно сохранить при переходе к нормальному атмосферному давлению.
Исследователи считают, что супералмазы могут быть полезны в материаловедении, а также могут стать ключом к пониманию структуры богатых углеродом экзопланет.