Алмазы, как самое твердое из известных веществ, впечатляют своей прочностью и разнообразными сферами применения — от ювелирных украшений до промышленных технологий. Однако недавнее открытие еще более твердого материала, алмаза BC8, привлекло внимание ученых. Этот материал, предположительно существующий в экстремальных условиях ядер гигантских экзопланет, может изменить область материаловедения и высокопроизводительных технологий. Ключевое достижение в этом открытии стало возможным благодаря суперкомпьютеру Frontier — передовому вычислительному инструменту, который позволил исследователям расшифровать условия, необходимые для формирования BC8.
Трудности формирования супералмаза BC8
BC8, или «восьмиатомный куб с центром в теле», — это гипотетическая форма углерода, которая может существовать только в экстремальных условиях, например, в ядрах гигантских экзопланет. В отличие от традиционных алмазов, имеющих кубическую кристаллическую структуру, BC8 имеет другую конфигурацию, которая может придать ему еще большую прочность. По оценкам исследователей, он может содержать восемь атомов углерода по сравнению с четырьмя у обычных алмазов.
Однако условия, необходимые для создания этого супералмаза, крайне сложно воспроизвести в лаборатории. Необходимо создать давление, в миллионы раз превышающее давление в атмосфере Земли, и экстремальные температуры, что делает физические эксперименты не только сложными, но и очень дорогими.
Именно здесь суперкомпьютер Frontier играет решающую роль.
Новый прорыв
Суперкомпьютер Frontier, установленный в лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики США, — один из самых мощных компьютеров в мире. Он способен выполнять моделирование в атомном масштабе с непревзойденной точностью.
Под руководством профессора Ивана Олейника из Университета Южной Флориды исследовательская группа использовала Frontier и его специализированное программное обеспечение LAMMPS для моделирования экстремальных условий и определения процессов, необходимых для формирования BC8, обрабатывая миллиарды атомов и моделируя миллионы различных сценариев.
Другими словами, этот суперкомпьютер позволил с поразительной точностью смоделировать процесс плавления алмазов и их реорганизации в BC8, чего не смогли сделать другие исследователи.
Ключевым открытием стало то, что традиционные алмазы необходимо расплавить, прежде чем они смогут реорганизоваться в BC8. Этот дополнительный этап требует давления, примерно в двенадцать миллионов раз превышающего давление в атмосфере Земли, и температуры до 5 000 К, близкой к той, что существует на поверхности Солнца.
Благодаря новому пониманию условий, необходимых для формирования BC8, исследователи получили прочную основу для проверки своих теоретических моделей в лаборатории. Эти модели включают в себя более точные предсказания давлений и температур, необходимых для превращения алмазов в BC8, а также точных процессов, с помощью которых может происходить это превращение.
Для проверки этих моделей исследователи обращаются к таким объектам, как National Ignition Facility в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, где мощные лазеры позволяют создать экстремальные условия для синтеза BC8.
