Превосходя алмаз: суперкомпьютер раскрыл тайны синтеза самого твердого материала

Ученые нашли способ сделать алмаз еще тверже, открывая новые перспективы для синтеза уникальной формы углерода в лабораторных условиях. Эта форма, известная как BC8, имеет объёмно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку и может превосходить алмаз по устойчивости к сжатию на 30%. Исследования, проведенные физиками из США и Швеции с использованием квантово-точных молекулярно-динамических симуляций на суперкомпьютере, показали, как алмаз меняет свои свойства под воздействием высокого давления и температур, выявляя условия для трансформации углеродных атомов в алмазе в необычную структуру BC8.

Фаза BC8 была ранее обнаружена на Земле в двух материалах - кремнии и германии, что позволило ученым предположить ее существование и для углерода. Считается, что такая фаза углерода может существовать в условиях высокого давления внутри экзопланет, но ее синтез на Земле до сих пор не удавался. Структура алмаза, обеспечивающая его твердость, состоит из тетраэдрической решетки, где каждый углеродный атом связан с четырьмя ближайшими соседями. Фаза BC8 сохраняет эту тетраэдрическую форму, но не имеет плоскостей раскола, присущих алмазу, что делает ее потенциально гораздо прочнее.

Исследование, возглавляемое физиком Киеном Нгуеном Конгом из Университета Южной Флориды, использовало мощности самого быстрого в мире суперкомпьютера Frontier для моделирования взаимодействий между атомами углерода в широком диапазоне давлений и температур. Эти симуляции помогли установить, почему синтез углерода BC8 представлял трудности - оказалось, что фаза доступна только в узком диапазоне высоких давлений и температур.

Теперь, когда ученые знают необходимые условия для синтеза углерода BC8, открываются новые возможности для его получения в лаборатории. В настоящее время ведутся эксперименты, вдохновленные этой теорией, на Национальной установке по зажиганию с целью реализации синтеза BC8 углерода. Открытия, опубликованные в The Journal of Physical Chemistry Letters , могут проложить путь к созданию материалов нового поколения, значительно превосходящих по своим характеристикам алмаз, и открыть новые горизонты в исследованиях и приложениях материалов.