Алмаз можно сжать во что-то еще более твердое. Теперь мы знаем, как это сделать.
Моделирование неуловимой молекулы углерода, которая из-за твердости оставляет алмазы в пыли, может проложить путь к ее созданию в лаборатории.
Известная как восьмиатомная объемно-центрированная кубическая фаза (BC8), Ожидается, что такая конфигурация 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 Посмотрите, как алмаз вел себя под высоким давлением, когда температура выросла до уровня, который должен был сделать его нестабильным, и открыли новые подсказки об условиях, которые могли подтолкнуть атомы углерода в алмазе к необычной структуре.
Фаза BC8 ранее была обнаружена наблюдался здесь, на Земле, в двух материалах: кремнии и германии. Экстраполяция свойств BC8, наблюдаемых 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 среда 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.
Алмаз считается таким твердым из-за его 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 ромба», говорит физик Джон Эггерт Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. «Фаза углерода BC8 в условиях окружающей среды, вероятно, будет намного прочнее, чем алмаз».
Однако, хотя углерод BC8 должен быть способен существовать в условиях окружающей среды, попытки синтезировать его в лаборатории потерпели неудачу. Группа исследователей под руководством физика Киена 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 самый быстрый суперкомпьютер 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 так трудно осуществить.
«Мы предсказали, — 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 образовываться 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 это. просто… так что следите за этим.
Результаты были опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters.
