Алмазы, являясь самыми твердыми из известных веществ, впечатляют прочностью и широкой областью применения: от украшений до промышленных технологий. Новое открытие — материала BC8, превосходящего алмаз по твердости, привлекло внимание ученых. Предполагается, что этот материал существует в экстремальных условиях ядер гигантских экзопланет. Открытие может изменить область материаловедения и высокопроизводительных технологий.
Ключевым достижением стала возможность использования суперкомпьютера Frontier — передового вычислительного инструмента, позволившего исследователям определить условия формирования BC8.
Трудности формирования супералмаза BC8
BC8, или «восьмиатомный куб с центром в теле», — гипотетическая форма углерода, существующая только в экстремальных условиях, например, в ядрах гигантских экзопланет. В отличие от традиционных алмазов с кубической кристаллической структурой, BC8 имеет другую конфигурацию, которая может придать ему повышенную прочность. По оценкам исследователей, он может содержать восемь атомов углерода против четырёх у обычных алмазов.
Создание такого супералмаза в лабораторных условиях крайне сложно из-за необходимости воспроизвести миллионкратное превышение давления земной атмосферы и экстремальные температуры. Такие физические эксперименты получаются не только сложными, но и очень затратными.
В этом месте суперкомпьютер Frontier оказывается ключевым.
Новый прорыв
Суперкомпьютер Frontier, размещённый в лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики Соединённых Штатов Америки, — один из самых мощных компьютеров мира. Способен моделировать процессы в атомном масштабе с исключительной точностью.
Под руководством профессора Ивана Олейника из Университета Южной Флориды группа исследователей применила программу Frontier с её специализированным ПО LAMMPS для моделирования экстремальных условий и выяснения процессов, формирующих BC8. Процесс обработки включал миллиарды атомов и моделирование миллионов сценариев.
Этот суперкомпьютер позволил с удивительной точностью смоделировать процесс плавления алмазов и их преобразование в BC8, что другим исследователям не удалось.
Главное открытие заключается в том, что традиционные алмазы должны расплавиться, прежде чем смогут преобразоваться в BC8. Для этого этапа требуется давление примерно в двенадцать миллионов раз больше атмосферного давления Земли и температура до 5000 К, подобная температуре поверхности Солнца.
Благодаря новому пониманию условий формирования BC8 исследователи получили прочную основу для проверки теоретических моделей в лаборатории. Модели включают более точные предсказания давлений и температур, необходимых для превращения алмазов в BC8, а также точных процессов этого превращения.
Чтобы проверить модели, исследователи используют объекты, например, Национальный центр зажигания в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора, где сильные лазеры создают экстремальные условия для синтеза гелия-8.