Diamant är det starkaste materialet man känner till. Men en annan form av kol har förutspåtts vara ännu tuffare än diamant. Utmaningen är hur man skapar den på jorden.
Den åttaatomiga kroppscentrerade kubiska (BC8) kristallen är en distinkt kolfas:inte diamant, men mycket lik. BC8 förutspås vara ett starkare material, som uppvisar en 30% större motståndskraft mot kompression än diamant. Det tros finnas i mitten av kolrika exoplaneter. Om BC8 kunde återvinnas under omgivande förhållanden skulle den kunna klassificeras som en superdiamant.
Denna kristallina högtrycksfas av kol förutspås teoretiskt vara den mest stabila fasen av kol under tryck som överstiger 10 miljoner atmosfärer.
"BC8-fasen av kol vid omgivningsförhållanden skulle vara ett nytt superhårt material som sannolikt skulle vara tuffare än diamant", säger Ivan Oleynik, fysikprofessor vid University of South Florida (USF) och senior författare till en artikel som nyligen publicerats i The Journal of Physical Chemistry Letters .
"Trots många ansträngningar för att syntetisera denna svårfångade kolkristallina fas, inklusive tidigare National Ignition Facility (NIF)-kampanjer, har den ännu inte observerats", säger forskaren Marius Millot från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), som också var involverad i forskningen. "Men vi tror att det kan finnas i kolrika exoplaneter."
Nyligen genomförda astrofysiska observationer tyder på den troliga närvaron av kolrika exoplaneter. Dessa himlakroppar, som kännetecknas av avsevärd massa, upplever gigantiska tryck som når miljontals atmosfärer i deras djupa inre.
"Därför kan de extrema förhållandena som råder inom dessa kolrika exoplaneter ge upphov till strukturella former av kol som diamant och BC8," sa Oleynik. "Därför blir en djupgående förståelse av egenskaperna hos BC8-kolfasen avgörande för utvecklingen av exakta inre modeller av dessa exoplaneter."
BC8 är en högtrycksfas av både kisel och germanium som är återvinningsbar till omgivningsförhållanden, och teorin tyder på att BC8-kol också bör vara stabilt vid omgivningsförhållanden.
LLNL-forskaren och medförfattaren Jon Eggert sa att den viktigaste anledningen till att diamant är så hård är att den tetraedriska formen av de fyra närmaste grannatomerna i diamantstrukturen perfekt matchar den optimala konfigurationen av de fyra valenselektronerna i kolumn-14 element i det periodiska systemet (som börjar med kol, följt av kisel och germanium).
"BC8-strukturen bibehåller denna perfekta tetraedriska närmaste granne-form, men utan klyvningsplanen som finns i diamantstrukturen," sa Eggert och håller med Oleynik om att "BC8-fasen av kol vid omgivningsförhållanden skulle sannolikt vara mycket tuffare än diamant."
Genom flera miljoner simuleringar av atomär molekylär dynamik på Frontier, den snabbaste exascale superdatorn i världen, upptäckte teamet diamantens extrema metastabilitet vid mycket höga tryck, vilket avsevärt översteg dess termodynamiska stabilitetsintervall.
Nyckeln till framgången var utvecklingen av en mycket noggrann interatomär potential för maskininlärning som beskriver interaktioner mellan enskilda atomer med oöverträffad kvantnoggrannhet vid ett brett spektrum av högtrycks- och temperaturförhållanden.
"Genom att effektivt implementera denna potential på GPU-baserad (grafisk bearbetningsenhet) Frontier, kan vi nu exakt simulera tidsutvecklingen för miljarder kolatomer under extrema förhållanden vid experimentella tids- och längdskalor," sa Oleynik. "Vi förutspådde att post-diamant BC8-fasen endast skulle vara tillgänglig experimentellt inom ett smalt, högtrycks- och högtemperaturområde i kolfasdiagrammet."
Betydelsen är dubbel. För det första belyser det orsakerna bakom oförmågan hos tidigare experiment att syntetisera och observera den svårfångade BC8-fasen av kol. Denna begränsning beror på det faktum att BC8 endast kan syntetiseras inom ett mycket snävt område av tryck och temperaturer.
Dessutom förutspår studien livskraftiga kompressionsvägar för att komma åt denna mycket begränsade domän där BC8-syntes blir möjlig. Oleynik, Eggert, Millot och andra samarbetar för närvarande för att utforska dessa teoretiska vägar med hjälp av Discovery Science-skotttilldelningar på NIF.
Teamet drömmer om att en dag odla en BC8-superdiamant i laboratoriet om de bara kunde syntetisera fasen och sedan återställa en BC8-frökristall tillbaka till omgivningsförhållandena.
Mer information: Kien Nguyen-Cong et al, Extreme Metastability of Diamond and its Transformation to the BC8 Post-Diamond Phase of Carbon, The Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03044
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry Letters
Tillhandahålls av Lawrence Livermore National Laboratory
