Алмаз можно сжать во что-то еще более твердое
Моделирование неуловимой молекулы углерода, которая из-за твердости оставляет алмазы в пыли, может проложить путь к их созданию в лаборатории. Результаты были опубликованы в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.
Ожидается, что эта конфигурация, известная как восьмиатомная объемно-центрированная кубическая фаза (BC8), будет на 30 процентов более устойчива к сжатию, чем алмаз — самый твердый из известных стабильных материалов на Земле.
Физики из США и Швеции провели квантово-точное молекулярно-динамическое моделирование на суперкомпьютере, чтобы увидеть, как алмаз ведет себя под высоким давлением, когда температура поднимается до уровня, который должен сделать его нестабильным.
Фаза BC8 ранее наблюдалась здесь, на Земле, в двух материалах: кремнии и германии. Экстраполяция свойств BC8, обнаруженных в этих материалах, позволила ученым определить, как эта фаза будет проявляться в углероде.
Фаза углерода BC8 не существует на Земле, хотя считается, что она скрывается в космосе в средах высокого давления глубоко внутри экзопланет. Теория предполагает, что это самая твердая форма углерода, которая может оставаться стабильной при давлении, превышающем атмосферное давление Земли в 10 миллионов раз. Если бы его можно было синтезировать и стабилизировать ближе к дому, это открыло бы удивительные возможности для исследований и применения материалов.
Считается, что алмаз настолько тверд из-за своей атомной структуры. Он устроен в виде тетраэдрической решетки – каждый атом углерода внутри него тетраэдрически связан со своими четырьмя ближайшими соседями, что соответствует оптимальной конфигурации крайних электронов самого атома углерода.
Однако, хотя углерод BC8 должен существовать в условиях окружающей среды, попытки синтезировать его в лаборатории не увенчались успехом. Группа исследователей под руководством физика Кьена Нгуена Конга из Университета Южной Флориды использовала возможности суперкомпьютеров, чтобы попытаться выяснить, где эти попытки пошли не так.
Суперкомпьютер Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж на данный момент является самым быстрым суперкомпьютером в мире. Используя это невероятное оборудование, команда разработала симуляцию, описывающую взаимодействия между отдельными атомами в очень широком диапазоне давлений и температурных условий. Запустив это моделирование на Frontier, они смогли воспроизвести эволюцию миллиардов атомов углерода в экстремальных условиях.
Другими словами, существует лишь очень маленькая область высокого давления и температуры, в которой может образоваться углерод BC8, и до сих пор эксперименты не соответствовали этим условиям. С другой стороны, теперь, когда мы знаем, каковы эти условия, синтез углерода BC8, наконец, может быть достижим.
В настоящее время исследователи проводят теоретические эксперименты в Национальном центре зажигания, чтобы сделать именно это.