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.
«Структура BC8 сохраняет эту идеальную тетраэдрическую форму ближайшего соседа, но без плоскостей спайности, присущих структуре алмаза», — говорит физик Джон Эггерт из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. «Фаза углерода BC8 в условиях окружающей среды, вероятно, будет намного прочнее, чем алмаз».
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.
Результаты выявили причину, по которой синтез углерода BC8 оказался столь трудным.
«Мы предсказывали, — объясняет физик Иван Оленик из Университета Южной Флориды, — что посталмазная фаза BC8 будет экспериментально доступна только в узкой области высокого давления и высокой температуры фазовой диаграммы углерода».
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.
