超级计算机破解超级钻石合成密码

研究人员正在利用先进的模拟和实验研究成果，努力合成一种碳结构的材料--BC8，据预测它比金刚石还要坚硬。从理论上讲，这种材料普遍存在于系外行星的极压环境中，但它在材料科学领域的应用前景却仍然是一个科学谜团。

超级计算机模拟预测了难以捉摸的 BC8"超级金刚石"的合成途径，其中涉及金刚石前驱体的冲击压缩，为正在 NIF 进行的"发现科学"实验提供了灵感。资料来源：Mark Meamber/LLNL

钻石是已知最坚硬的材料。然而，据预测，另一种形式的碳甚至比钻石更坚硬。挑战在于如何在地球上制造它。

八原子体心立方（BC8）晶体是一种独特的碳相：不是金刚石，但非常相似。据预测，BC8 是一种更坚固的材料，其抗压性能比金刚石高出 30%。据信，富碳系外行星的中心就有这种晶体。如果能在环境条件下回收 BC8，它就可以被归类为超级钻石。

理论启示与实验挑战

根据理论预测，在超过 1000 万个大气压的压力下，这种碳的结晶高压相是最稳定的碳相。

南佛罗里达大学（USF）物理学教授、最近发表在《物理化学通讯》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上的一篇论文的资深作者伊万-奥利尼克（Ivan Oleynik）说："在环境条件下，碳的BC8相将是一种新的超硬材料，可能比金刚石更坚硬。"

地外联系

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）科学家马里乌斯-米洛特（Marius Millot）说："尽管为合成这种难以捉摸的碳晶相做出了无数努力，包括之前的国家点火装置（NIF）活动，但至今仍未观测到这种碳晶相。"但我们相信，富碳系外行星中可能存在这种物质。"

最近的天体物理观测表明，系外行星中可能存在富碳行星。这些天体具有相当大的质量，在其内部深处承受着高达数百万个大气压的巨大压力。

了解 BC8 的独特性能

Oleynik说："因此，这些富碳系外行星内部的极端条件可能会产生钻石和BC8等碳的结构形式。因此，深入了解BC8碳相的特性对于开发这些系外行星的精确内部模型至关重要。"

BC8 是硅和锗的高压相，可在环境条件下恢复，理论表明 BC8 碳也应在环境条件下保持稳定。 LLNL 科学家兼合著者 Jon Eggert 说，钻石之所以如此坚硬，最重要的原因是钻石结构中四个最近邻原子的四面体形状与元素周期表中第 14 列元素（从碳开始，然后是硅和锗）中四个价电子的最佳配置完全吻合。

合成 BC8 的途径

埃格特说："BC8结构保持了这种完美的四面体近邻形状，但没有钻石结构中的裂隙面，"他同意奥莱尼克的观点，"在环境条件下，BC8碳相可能比钻石更坚硬"。

通过在全球速度最快的超大规模超级计算机"Frontier"上进行数百万次原子分子动力学模拟，研究小组发现了金刚石在极高压下的极端陨变性，大大超出了其热力学稳定性范围。成功的关键在于开发出了非常精确的机器学习原子间势，它能在各种高压和高温条件下以前所未有的量子精度描述单个原子之间的相互作用。

Oleynik说："通过在基于GPU（图形处理单元）的前沿技术上高效地实现这一潜能，我们现在可以在实验时间和长度尺度的极端条件下精确地模拟数十亿碳原子的时间演化。我们预测，只有在碳相图的一个狭窄的高压、高温区域内，才能通过实验获得后金刚石 BC8 相。"

BC8 研究的未来前景

其意义是双重的。首先，它阐明了以往实验无法合成和观察难以捉摸的 BC8 碳相的原因。这一限制源于 BC8 只能在非常狭窄的压力和温度范围内合成。此外，该研究还预测了可行的压缩途径，以进入这一高度受限的领域，从而实现 BC8 的合成。目前，Oleynik、Eggert、Millot 和其他人正在合作，利用 NIF 上的"发现科学"镜头分配来探索这些理论途径。

该团队梦想着有一天能在实验室中培育出 BC8 超级金刚石，只要他们能合成这种相，然后将 BC8 种子晶体恢复到环境条件下。

编译自:ScitechDaily