Süper elmasların süper bilgisayar simülasyonları onları yaratmanın bir yolunu gösteriyor

Elmas bilinen en güçlü malzemedir. Ancak karbonun başka bir formunun elmastan daha sert olması bekleniyor. Sorun bunun sahada nasıl oluşturulacağıdır.

Vücut merkezli oktahedral kübik kristal (BC8) ayrı bir karbon fazıdır: elmas değil ama çok benzer. BC8'in elmastan %30 daha fazla basınç dayanımı sergileyen daha güçlü bir malzeme olması bekleniyor. Karbon bakımından zengin ötegezegenlerin merkezinde bulunduğuna inanılıyor. BC8 ortam koşullarında geri kazanılabiliyorsa süper elmas olarak sınıflandırılabilir.

Karbonun kristalli yüksek basınç fazının teorik olarak 10 milyon atmosferi aşan basınçlar altında en kararlı karbon fazı olması beklenir.

Güney Florida Üniversitesi'nde (USF) fizik profesörü ve yakın zamanda yayınlanan bir makalenin baş yazarı Ivan Oleinik, “Ortam koşullarında karbonun BC8 fazı, muhtemelen elmastan daha güçlü olacak yeni bir süper sert malzeme olacaktır” dedi. içinde Fiziksel Kimya Mektupları Dergisi.

وقال ماريوس ميلوت، عالم مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، والذي شارك أيضًا في البحث: “على الرغم من الجهود العديدة لتجميع هذه المرحلة البلورية الكربونية بعيدة المنال، بما في ذلك الحملات السابقة لمرفق الإشعال الوطني (NIF)، إلا أنه لم يتم ملاحظتها sonraki”. “Fakat bunun karbon açısından zengin ötegezegenlerde mevcut olabileceğini düşünüyoruz.”

Son astrofiziksel gözlemler, karbon bakımından zengin ötegezegenlerin olası varlığını göstermektedir. Büyük bir kütleye sahip olan bu gök cisimleri, derin iç kısımlarında milyonlarca atmosfere ulaşan muazzam basınçlara maruz kalmaktadır.

Oleinik, “Sonuç olarak, bu karbon açısından zengin dış gezegenlerde hüküm süren aşırı koşullar, elmas ve BC8 gibi yapısal karbon formlarının ortaya çıkmasına neden olabilir” dedi. “Bu nedenle, BC8 karbon fazının özelliklerinin derinlemesine anlaşılması, bu ötegezegenlerin doğru iç modellerinin geliştirilmesi için hayati önem taşıyor.”

BC8, ortam koşullarında geri kazanılabilen, hem silikon hem de germanyumdan oluşan yüksek basınçlı bir fazdır ve teori, BC8'in ortam koşullarında da stabil olması gerektiğini öne sürmektedir.

Elmasın bu kadar sert olmasının en önemli nedeni, elmasın yapısındaki dört komşu atomun tetrahedral şeklinin, periyodik tablonun 14. sütunundaki (karbonla başlayıp silikonla başlayan) elementlerdeki dört değerlik elektronunun optimal konfigürasyonuyla tam olarak eşleşmesidir. ve germanyum), LLNL bilim adamı ve ortak yazar John Eggert dedi.

Eggert, “BC8 yapısı, en yakın tetrahedral komşunun mükemmel şeklini koruyor, ancak elmas yapısında bulunan yarılma düzlemleri olmadan” dedi ve “karbonun BC8 fazının ortam koşullarında muhtemelen elmastan çok daha sert olacağı” konusunda Oleinik ile aynı fikirdeydi. ”

Ekip, dünyanın en hızlı exascale süper bilgisayarı olan Frontier'daki atomik moleküler dinamik simülasyonları aracılığıyla, elmasın termodinamik stabilite aralığının çok ötesinde, çok yüksek basınçlarda olağanüstü stabilitesini keşfetti.

Başarının anahtarı, çok çeşitli yüksek basınç ve sıcaklık koşullarında, tek tek atomlar arasındaki etkileşimleri benzeri görülmemiş niceliksel hassasiyetle tanımlayan makine öğrenimi için yüksek doğruluklu atomlar arası yeteneklerin geliştirilmesiydi.

Olenik, “Bu yeteneği Frontier GPU'da etkili bir şekilde uygulayarak, artık milyarlarca karbon atomunun aşırı koşullar altında zamansal evrimini deneysel zaman ve uzunluk ölçeklerinde doğru bir şekilde simüle edebiliriz” dedi. “Elmas sonrası BC8 aşamasına yalnızca karbon faz diyagramının dar, yüksek basınçlı, yüksek sıcaklıklı bir bölgesinde deneysel olarak erişilebileceğini bekliyorduk.”

Önemi iki yönlüdür. İlk olarak, önceki deneylerin karbonun bulunması zor BC8 fazını sentezleyip gözlemleyememesinin ardındaki nedenleri açıklıyor. Bu sınırlama, BC8'in yalnızca çok dar bir basınç ve sıcaklık aralığında üretilebilmesinden kaynaklanmaktadır.

Ek olarak çalışma, BC8 sentezinin mümkün olduğu bu son derece kısıtlı alana ulaşmak için geçerli stres yollarını da öngörüyor. Oleynik, Eggert, Millot ve diğerleri şu anda NIF'deki Discovery Science anlık görüntü tahsislerini kullanarak bu teorik yolları keşfetmek için işbirliği yapıyor.

Ekip, bir gün sadece sahneyi üretip BC8 tohum kristalini geri kazanıp ortam koşullarına geri döndürmeleri halinde laboratuvarda süper BC8 elmasları yetiştirmeyi hayal ediyor.