Алмазы используют не только в ювелирном деле. Твердые, сверхпрочные и обладающие уникальным составом, они полезны в разных сферах. В частности, их используют во время бурения передовых геотермальных скважин и в качестве полупроводников в ядерных батареях, пишет New Atlas.
Представьте себе, какие возможности могут открыться, если ученые создадут вещество, которое будет прочнее самого прочного алмаза в мире. Есть предположение, что материал, включающий восемь атомов углерода на каждые четыре атома, содержащихся в алмазе, вероятно, существует в реальности при экстремальных температурах и давлении, характерных для ядер планет, которые по меньшей мере в два раза больше Земли.
Создать «супералмаз», известный как BC8 (восьмиатомный объемно-центрированный кубический), можно в лабораторных условиях, но условия, которые необходимо воспроизвести при этом, мягко говоря, очень сложны. Для создания репликатора потребовалось бы давление, в 10 миллионов раз превышающее давление атмосферы Земли, и температура, приближающаяся к температуре поверхности Солнца. Из-за этого проводить многочисленные физические эксперименты для создания BC8 — непрактичное дело.
Самый быстрый в мире суперкомпьютер Frontier в лаборатории Oak Ridge National Laboratory способен прогонять миллионы ситуаций атомного моделирования на основе миллионов наборов условий, чтобы точно определить, что потребуется для образования BC8. Группа исследователей во главе с Иваном Олейником, ведущим автором исследования и профессором физики в Университете Южной Флориды, получила разрешение на доступ к Frontier, чтобы проверить, может ли он помочь им взломать код BC8, — и это сработало.
Профессор и его команда предоставили Frontier поразительное количество данных для обучения программного модуля LAMMPS, чтобы он мог выполнять необходимые вычисления. По словам эксперта, другие компьютеры слишком сильно тормозили и не могли запустить программу.
Мы фактически отпечатали каждую атомную среду вокруг каждого атома в системе из миллиарда атомов, которая могла возникнуть в ходе эволюции системы при экстремальных давлениях и температурах. Без Frontier это было бы невозможно.
«Для этого исследования нам нужно было смоделировать более миллиарда атомов, выполняя до миллиона временных шагов в молекулярно-динамических симуляциях, — добавяет эксперт. — У нас был доступ к другим суперкомпьютерам, но ни у одного из них не было достаточно вычислительной мощности, чтобы справиться с таким количеством атомов».
«Шокирующее» открытие
После запуска LAMMPS в течение примерно 24 часов с использованием 8000 из более чем 9400 узлов Frontier, команда получила ответ, который показал уникальный и немного удивительный шаг, который был бы необходим для превращения углерода в BC8. Ученые обнаружили, что традиционные алмазы сначала должны были бы расплавиться, прежде чем жидкий углерод мог бы затем перестроиться в сверхпрочную структуру BC8.
«В большинстве случаев материалы переходят из одной кристаллической фазы в другую путем согласованной перестройки атомной структуры, — объясняет профессор физики. — Но углеродные связи, из которых состоит алмаз, настолько сильны, что нам приходится расплавлять алмаз, чтобы превратить его в новую кристаллическую фазу BC8. Так что это добавляет еще один слой к этому процессу с еще более экстремальными давлениями и температурами — в 12 миллионов раз превышающими давление земной атмосферы и 5000 К, что близко к температуре поверхности Солнца».
Исследование показало, что такие условия можно создать с помощью серии ударных волн определенной силы. Теперь команда начинает проверять эти знания, пытаясь синтезировать BC8 в Национальном центре зажигания Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса — установке ядерного синтеза размером со стадион, которая использует 192 мощных лазеров для создания температур свыше 180 миллионов градусов по Фаренгейту и давлений более 100 миллиардов земных атмосфер.
«Благодаря Frontier у нас есть хорошие шансы на успех, — заключает специалист Олейник. — Это все еще экстремальный вызов без гарантий, но мы очень уверены в полученных результатах».
Тем временем первый в мире выращенный из цветов алмаз оценили в 4 млн рублей. Лепестки пионов выступили главным ингредиентом. Hi-Tech Mail показал, как проходил процесс создания необычного алмаза.
