Supercomputersimulationen von Superdiamanten zeigen einen Weg zu ihrer Entstehung auf

Diamant ist das stärkste bekannte Material. Es wird jedoch erwartet, dass eine andere Form von Kohlenstoff härter als Diamant ist. Die Herausforderung besteht darin, es vor Ort zu schaffen.

Der raumzentrierte oktaedrische kubische Kristall (BC8) ist eine ausgeprägte Kohlenstoffphase: kein Diamant, aber sehr ähnlich. Es wird erwartet, dass BC8 ein stärkeres Material ist und eine um 30 % höhere Druckfestigkeit aufweist als Diamant. Es wird angenommen, dass es sich im Zentrum kohlenstoffreicher Exoplaneten befindet. Wenn BC8 unter Umgebungsbedingungen zurückgewonnen werden kann, kann es als Superdiamant eingestuft werden.

Man geht theoretisch davon aus, dass die kristalline Hochdruckphase von Kohlenstoff bei Drücken über 10 Millionen Atmosphären die stabilste Phase von Kohlenstoff ist.

„Die BC8-Phase von Kohlenstoff wäre bei Umgebungsbedingungen ein neues superhartes Material, das wahrscheinlich stärker als Diamant wäre“, sagte Ivan Oleinik, Professor für Physik an der University of South Florida (USF) und Hauptautor einer kürzlich veröffentlichten Arbeit. In Journal of Physical Chemistry Letters.

„Trotz zahlreicher Versuche, diese schwer fassbare kristalline Kohlenstoffphase zu synthetisieren, einschließlich früherer Kampagnen der National Ignition Facility (NIF), wurde sie nie beobachtet“, sagte Marius Mellot, ein Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), der ebenfalls an der Forschung beteiligt war. nach“. „Aber wir glauben, dass es auf kohlenstoffreichen Exoplaneten vorhanden sein könnte.“

Aktuelle astrophysikalische Beobachtungen deuten auf die plausible Existenz kohlenstoffreicher Exoplaneten hin. Diese Himmelskörper, die sich durch eine große Masse auszeichnen, sind in ihrem tiefen Inneren enormen Drücken ausgesetzt, die Millionen von Atmosphären erreichen.

„Folglich können die extremen Bedingungen, die innerhalb dieser kohlenstoffreichen Exoplaneten herrschen, zur Entstehung struktureller Formen von Kohlenstoff wie Diamanten und BC8 führen“, sagte Oleinik. „Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis der Eigenschaften der BC8-Kohlenstoffphase von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung genauer Innenmodelle dieser Exoplaneten.“

BC8 ist eine Hochdruckphase aus Silizium und Germanium, die bei Umgebungsbedingungen gewonnen werden kann, und die Theorie legt nahe, dass BC8 auch bei Umgebungsbedingungen stabil sein sollte.

Der wichtigste Grund, warum Diamant so hart ist, liegt darin, dass die tetraedrische Form der vier benachbarten Atome in der Diamantstruktur genau der optimalen Konfiguration der vier Valenzelektronen in den Elementen der Spalte 14 des Periodensystems entspricht (beginnend mit Kohlenstoff, gefolgt von Silizium). und Germanium), sagte der LLNL-Wissenschaftler und Co-Autor John Eggert.

„Die BC8-Struktur behält diese perfekte Form des nächsten tetraedrischen Nachbarn bei, jedoch ohne die Spaltungsebenen, die in der Diamantstruktur zu finden sind“, sagte Eggert und stimmte Oleinik zu, dass „die BC8-Phase von Kohlenstoff bei Umgebungsbedingungen wahrscheinlich viel härter wäre als Diamant.“ ”

Durch Simulationen der atomaren Molekulardynamik auf Frontier, dem schnellsten Exascale-Supercomputer der Welt, entdeckte das Team die extreme Stabilität von Diamant bei sehr hohen Drücken, die weit über den Bereich der thermodynamischen Stabilität hinausgehen.

Der Schlüssel zum Erfolg war die Entwicklung hochpräziser interatomarer Fähigkeiten für maschinelles Lernen, die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen mit beispielloser quantitativer Präzision über einen weiten Bereich von Hochdruck- und Temperaturbedingungen beschreiben.

„Durch die effektive Implementierung dieser Fähigkeit auf der Frontier-GPU können wir nun die zeitliche Entwicklung von Milliarden von Kohlenstoffatomen unter extremen Bedingungen auf experimentellen Zeit- und Längenskalen genau simulieren“, sagte Olenik. „Wir gingen davon aus, dass die Post-Diamant-BC8-Phase experimentell nur innerhalb eines engen Hochdruck- und Hochtemperaturbereichs des Kohlenstoffphasendiagramms zugänglich sein würde.“

Die Bedeutung ist zweifach. Erstens erklärt es die Gründe dafür, dass frühere Experimente nicht in der Lage waren, die schwer fassbare BC8-Phase von Kohlenstoff zu synthetisieren und zu beobachten. Diese Einschränkung ergibt sich aus der Tatsache, dass BC8 nur in einem sehr engen Druck- und Temperaturbereich hergestellt werden kann.

Darüber hinaus sagt die Studie mögliche Stresspfade voraus, die zu dieser stark eingeschränkten Domäne führen, in der die BC8-Synthese möglich wird. Oleynik, Eggert, Millot und andere arbeiten derzeit zusammen, um diese theoretischen Wege mithilfe von Snapshot-Zuweisungen von Discovery Science auf NIF zu erkunden.

Das Team träumt davon, eines Tages Super-BC8-Diamanten im Labor zu züchten, wenn es nur die Bühne herstellen und dann den BC8-Impfkristall gewinnen und ihn wieder auf Umgebungsbedingungen bringen kann.