Как се прави супердиамант

Ваня Милева Последна промяна на 26 март 2024 в 08:23 2283 0

Суперкомпютърни симулации, предсказващи начина на синтез за неуловимия

Кредит Mark Meamber/LLNL

Суперкомпютърни симулации, предсказващи начина на синтез за неуловимия "супердиамант" BC8, включващи ударни компресии на прекурсор на диаманта, вдъхновяват продължаващите експерименти на Discovery Science в NIF

Поради изключително здравата връзка между въглеродните атоми, диамантите имат необикновени физически качества, които ги правят много устойчиви на структурни промени, дори при много високи налягания и температури. Синтезът и възстановяването на теоретично очакваната пост-диамантена фаза BC8 остават неуловими въпреки множеството експериментални опити.

Обемно-центрираният кубичен (BC8) кристал с осем атома е уникална въглеродна фаза, която прилича на диамант, но не е съвсем същият. Очаква се, че BC8 ще бъде по-здрав материал от диаманта, с 30% по-висока якост на натиск. Той се среща в ядрото на екзопланети, които са богати на въглерод. BC8 може да бъде категоризиран като супердиамант, ако бъде създаден при нормални условия.

Тази кристална фаза се очаква да бъде най-стабилната фаза на въглерода при налягане над 10 милиона атмосфери.

Кредит:https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2023.112050
 

С помощта на квантово точни симулации на молекулярната динамика (MD) с участието на няколко милиона атома учените разкриват изключителната метастабилност на диамантите при много високи налягания, значително надхвърлящи обхвата им на термодинамична стабилност.

"Фазата BC8 на въглерода при околни условия ще бъде нов супер-твърд материал, който вероятно ще бъде по-здрав от диаманта", заявява Иван Олейник (Ivan Oleynik), професор по физика в Университета на Южна Флорида (USF) и водещ автор на статията.

"Въпреки многобройните усилия за синтезиране на тази неуловима въглеродна кристална фаза, включително предишни кампании на Националното съоръжение за запалване (NIF), тя все още не е наблюдавана. Но ние сме убедени, че може да съществува в богати на въглерод екзопланети", коментира Мариус Милот (Marius Millot) от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL).

Възможно е да има богати на въглерод планети извън нашата слънчева система според скорошни открития в космоса. Дълбоко в тези гигантски планети има налягане, което може да бъде милиони пъти по-голямо от атмосферното налягане на Земята.

"Следователно, екстремните условия, преобладаващи в тези богати на въглерод екзопланети, могат да доведат до структурни форми на въглерод като диамант и BC8", отбелязва Олейник. "Следователно, задълбоченото разбиране на свойствата на въглеродната фаза BC8 става важно за разработването на точни вътрешни модели на тези екзопланети ."

Уникалният вид въглерод, известен като BC8, може да се върне към нормалното си състояние, когато налягането падне, оставайки стабилен при високо налягане. Теоретично, при типични обстоятелства, BC8 въглеродът трябва да остане стабилен по подобен начин.

Според учения от LLNL и съавтор на изследването Джон Егърт (Jon Eggert), диамантите са предизвикателство, защото тяхната структура съвпада точно с атомите в елементите в колона 14 на периодичната таблица (като въглерод, силиций и германий).

 "Структурата BC8 запазва тази перфектна тетраедрична форма на най-близкия съсед, но без равнините на разцепване в диамантената структура. Въглеродната фаза BC8 при нормални условия на околната среда вероятно ще бъде много по-твърда от диаманта", заявява Егърт.

Използвайки Frontier, най-бързият в света екзамащабен суперкомпютър, за провеждане на многомилионни симулации на молекулярна динамика, екипът откри, че диамантът проявява изключителна метастабилност при много високи налягания, далеч извън неговата граница на термодинамична стабилност. Създаването на точен междуатомен потенциал за машинно обучение, който характеризира взаимодействията между отделните атоми с нечувана преди това квантова точност в широк диапазон от условия на високо налягане и температура, е от решаващо значение за постижението.

Екзамащабен суперкомпютър

Екзамащаб, екзаскейл е термин, обозначаващ суперкомпютри с производителност от порядъка на един екзафлопс (exaFLOPS). Тази производителност е 1000 пъти по-висока, отколкото на системите от клас петафлопс, появили се през 2008 г. Един екзафлопс е равен на хиляда петафлопса, милиард милиарда (1018) операции на числа с плаваща запетая в секунда. Екзамащабното ниво на производителност на суперкомпютрите бе достигнато през 2022 г. Първият в света екзамащабен и най-производителен суперкомпютър в света, Frontier има обявена производителност от 1.102 екзафлопа и заявена производителност от 1.686 екзафлопа със средна консумация на енергия от около 21,1 MW.

"Ефективно прилагайки този потенциал на Frontier, сега можем точно да симулираме еволюцията във времето на милиарди въглеродни атоми при екстремни условия в експериментални времеви и дължини. Ние прогнозирахме, че пост-диамантената фаза BC8 ще бъде експериментално достъпна само в тясна област с високо налягане и висока температура на диаграмата на въглеродната фаза", обяснява Олейник.

Това е важно откритие поради две основни причини. Първо, то обяснява провала на по-ранните опити за производство и откриване на фазата BC8 на въглерода в експерименти. Това е така, защото точните изисквания за налягане и температура, необходими за производството на BC8, са трудни за изпълнени в лабораторни условия. Документът също така предлага методи за компресиране на материали за постигане на тези специфични условия, което увеличава жизнеспособността на производството на BC8.

За да разработят супердиамант BC8 лабораторно, учените трябва първо да разберат как да генерират фазата BC8 и след това да го върнат от екстремното му състояние към нормални условия.

Справка: Nguyen-Cong K, Willman JT, Gonzalez JM, et al. Extreme metastability of diamond and its transformation to the BC8 post-diamond phase of carbon. J Phys Chem Lett. 2024;15(4):1152-1160. doi: 10.1021/acs.jpclett.3c03044

ИзточникUnveiling the path to creating super-diamond, ТechЕxplorist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !