Superpočítačové trhliny Jak vytvořit materiál tvrdší než diamant: „Superdiamant“

Diamanty jsou známé jako nejtvrdší substance, které existují, což je stav, který se v poslední době setkal s určitou výzvou. Teoreticky by změna ve způsobu uspořádání atomů uhlíku měla vést k něčemu tvrdšímu, ale zatím nikdo nedosáhl tlaku potřebného k výrobě takzvaného „super diamantu“. To by se však mohlo změnit s počítačovým modelováním indikujícím podmínky, které by mohly být vyžadovány.

Síla diamantů pochází ze způsobu, jakým je každý atom uhlíku spojen se svými čtyřmi nejbližšími sousedy kovalentními vazbami vytvářejícími výjimečně těsně sbalené atomy. Je známé, že čisté atomy uhlíku se mohou navzájem uspořádat mnoha způsoby, a proto získáte materiály jako buckyballs a grafen.

Pokračuje debata o tom, zda exotické materiály mohou překonat diamanty využívající nitrid boru, ale existuje způsob, jak spojit atomy uhlíku dohromady, který je teoreticky silnější než tradiční uspořádání diamantů. Toto je známé jako osmiatomový krychlový střed se středem těla (BC8) a odhaduje se, že odolává kompresi o 30 procent lépe než běžné diamanty.

Po takovém materiálu by jistě existovala průmyslová poptávka, ale předpokládá se, že k vytvoření atomů do takového tvaru by byly zapotřebí tlaky nejméně 10 milionů atmosfér (bilion Pascalů). Jakmile jsou však vyrobeny, měly by být stabilní za normálních podmínek. Laboratořím se podařilo dosáhnout podmínek, které některé předchozí odhady předpovídaly, že by produkovaly diamanty BC8, ale zjistily, že jsou příliš optimistické, takže vědci přemýšleli, jak vysoké tlaky by musely jít.

Pokud se lidem nepodařilo dosáhnout tak extrémních podmínek, aby vyrobili super diamanty, dalo by se očekávat, že ani příroda. Na Zemi to pravděpodobně platí, ale předpokládá se, že některé exoplanety (planety obíhající kolem jiných hvězd) mohou být velmi bohaté na uhlík. Tlaky ve středu světů, jako jsou tyto, by mohly snadno postačovat požadavkům.

“Extrémní podmínky panující v těchto exoplanetách bohatých na uhlík mohou vést ke vzniku strukturálních forem uhlíku, jako je diamant a BC8,” uvedl v prohlášení profesor Ivan Oleynik z University of South Florida. “Proto se hloubkové pochopení vlastností uhlíkové fáze BC8 stává kritickým pro vývoj přesných modelů interiéru těchto exoplanet.”

BC8 může existovat také v křemíku a germaniu, prvcích bezprostředně pod uhlíkem v periodické tabulce, a ty byly vyrobeny. S využitím toho, co víme o jeho výrobě v těchto prvcích, Oleynik a jeho kolegové vytvořili počítačové modely, aby prozkoumali, co by bylo zapotřebí k tomu, aby se to stalo v uhlíku.

Zapojené výpočty jsou obrovské, ale pomocí Frontier, nejrychlejšího exascale superpočítače na světě, si tým myslí, že identifikoval, co by bylo potřeba k tomu, aby se miliardy atomů spojily požadovaným způsobem. “Předpověděli jsme, že post-diamantová fáze BC8 bude experimentálně přístupná pouze v úzké vysokotlaké a vysokoteplotní oblasti uhlíkového fázového diagramu,” řekl Oleynik.

Konkrétně by byly vyžadovány tlaky 1 050 000 000 000 Pascalů při přesné teplotě, pravděpodobně kolem 6 000 K. Ještě vyšší tlaky by rozšířily potenciální teplotní rozsah, ale ne o mnoho. Aby se tam dostal, program předpovídá, že se obyčejné diamanty roztaví na metastabilní podchlazenou uhlíkovou kapalinu, ze které by se vytvořily BC8. Podobně jako ledové částice v přechlazené vodě by krystaly BC8 měly velké potíže se spuštěním, ale jakmile by se jeden vytvořil, rychle by rostl nukleací.

Zda je nějaké zařízení na Zemi připraveno na to, aby se to stalo, se teprve uvidí.

Pokud je to možné, autoři se domnívají, že uhlík BC8 může udělat více než jen překonat odolnost diamantů vůči tlaku. “Struktura BC8 si zachovává tento dokonalý čtyřstěnný tvar nejbližšího souseda, ale bez štěpných rovin nalezených ve struktuře diamantu,” řekl spoluautor Dr Jon Eggert z Lawrence Livermore National Laboratory. Navzdory nesmírným nákladům na vytvoření něčeho takového se tato houževnatost mohla ukázat jako neocenitelná a také nabídnout lekce o vnitřním fungování planet s takovými jádry.

Studie je publikována v The Journal of Physical Chemistry Letters.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *