Алмаз — самое твердое вещество на Земле, но так ли обстоит дело на других планетах? Вопрос еще не решен. Это потому, что в течение примерно 40 лет учёные выдвигали теории о том, что алмаз может втиснуться в ещё более твёрдый минерал, известный как восьмиатомный объёмно-центрированный куб, или BC8. Если это правда, то эта сверхплотная форма углерода, вероятно, будет обнаружена на богатых углеродом экзопланетах и будет иметь более высокую прочность на сжатие и теплопроводность, чем алмаз.
Проще говоря, его открытие может изменить правила игры во многих отраслях, и теперь ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) и Университета Южной Флориды (USF), используя суперкомпьютер Frontier, нашли возможный путь к созданию BC8. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters .
«Эффективно реализуя этот потенциал на базе графического процессора Frontier, мы теперь можем точно моделировать временную эволюцию миллиардов атомов углерода в экстремальных условиях в экспериментальных масштабах времени и длины», — профессор USF и соавтор исследования Иван Олейник. «Мы предсказали, что посталмазная фаза BC8 будет экспериментально доступна только в узкой области высокого давления и высоких температур фазовой диаграммы углерода», — говорится в заявлении для прессы .
Добраться даже до этих доказательств, полученных с помощью суперкомпьютерного моделирования, было долгим и извилистым путем. По словам исследователей, гипотеза BC8, впервые выдвинутая в 1980-х годах, рассматривалась как структура, которая сохраняет тетраэдрическую форму атома, как у алмаза, но избегает «плоскостей расщепления», обнаруженных в алмазах. Поскольку считается, что BC8 существует и в условиях окружающей среды, это может сделать это вещество структурно более прочным, чем алмаз, но найти этот неуловимый материал оказалось непросто .
В 2009 году эксперимент в Национальных лабораториях Сандии намекнул на существование BC8, но не смог выявить его атомную структуру. Затем, в 2015 году, команда LLNL использовала методы дифракции рентгеновских лучей в многолетних поисках BC8. Хотя команда исследовала углеродные структуры при беспрецедентном давлении около 2000 гигапаскалей (примерно в 5 раз больше давления, обнаруженного в ядре Земли), кристаллическая структура оставалась в форме алмаза даже за пределами предсказанных фаз.
«Экстремальные условия, преобладающие на богатых углеродом экзопланетах, могут привести к появлению структурных форм углерода, таких как алмаз и BC8», — сказал Олейник в заявлении для прессы. «Поэтому углубленное понимание свойств углеродной фазы BC8 становится критически важным для разработки точных внутренних моделей этих экзопланет».
Эта убедительная теория о том, что BC8 должен существовать в других мирах, побудила ученых искать ответы с помощью других средств, то есть с помощью суперкомпьютеров. Используя «многомиллионные молекулярно-динамические симуляции» на суперкомпьютере Frontier в Ок-Риджском вычислительном центре в Теннесси, команда обнаружила метастабильность алмаза при экстремальных давлениях. По мнению исследователей, это было достигнуто во многом благодаря улучшению понимания взаимодействий между атомами с квантовой точностью в широком диапазоне условий давления и температуры.
Это важное открытие помогает объяснить, почему предыдущие попытки найти BC8 оказались безуспешными, поскольку оказывается, что супералмаз может образовываться только в очень узком диапазоне давления и температуры.
Ученые сейчас заняты изучением того, смогут ли эти теоретические пути наконец привести к вполне реальным результатам.
