Simulações de supercomputador de superdiamante sugerem um caminho para sua criação
Simulações de supercomputadores prevendo os caminhos de síntese para o indescritível "superdiamante" BC8, envolvendo compressões de choque do precursor do diamante, inspiram experimentos contínuos da Discovery Science no NIF. Crédito:Mark Meamber/LLNL. O diamante é o material mais forte conhecido. No entanto, prevê-se que outra forma de carbono seja ainda mais resistente que o diamante. O desafio é como criá-lo na Terra.
O cristal cúbico de corpo centrado (BC8) de oito átomos é uma fase de carbono distinta:não é diamante, mas é muito semelhante. Prevê-se que o BC8 seja um material mais forte, exibindo uma resistência à compressão 30% maior do que o diamante. Acredita-se que seja encontrado no centro de exoplanetas ricos em carbono. Se o BC8 pudesse ser recuperado em condições ambientais, poderia ser classificado como um superdiamante.
Esta fase cristalina de carbono de alta pressão é teoricamente prevista como a fase mais estável do carbono sob pressões superiores a 10 milhões de atmosferas.
“A fase BC8 do carbono em condições ambientais seria um novo material superduro que provavelmente seria mais resistente que o diamante”, disse Ivan Oleynik, professor de física da Universidade do Sul da Flórida (USF) e autor sênior de um artigo publicado recentemente. em The Journal of Physical Chemistry Letters .
"Apesar dos numerosos esforços para sintetizar esta indescritível fase cristalina de carbono, incluindo campanhas anteriores do National Ignition Facility (NIF), ela ainda não foi observada", disse Marius Millot, cientista do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), que também esteve envolvido na pesquisa. “Mas acreditamos que possa existir em exoplanetas ricos em carbono.”
Observações astrofísicas recentes sugerem a presença plausível de exoplanetas ricos em carbono. Esses corpos celestes, caracterizados por uma massa considerável, sofrem pressões gigantescas que atingem milhões de atmosferas em seus interiores profundos.
“Consequentemente, as condições extremas que prevalecem nestes exoplanetas ricos em carbono podem dar origem a formas estruturais de carbono, como o diamante e o BC8”, disse Oleynik. “Portanto, uma compreensão profunda das propriedades da fase de carbono BC8 torna-se crítica para o desenvolvimento de modelos interiores precisos destes exoplanetas.”
BC8 é uma fase de alta pressão de silício e germânio que é recuperável em condições ambientais, e a teoria sugere que o carbono BC8 também deve ser estável em condições ambientais.
O cientista e coautor do LLNL Jon Eggert disse que a razão mais importante pela qual o diamante é tão duro é que a forma tetraédrica dos quatro átomos vizinhos mais próximos na estrutura do diamante corresponde perfeitamente à configuração ideal dos quatro elétrons de valência nos elementos da coluna 14. na tabela periódica (começando com carbono, seguido por silício e germânio).
“A estrutura BC8 mantém esta forma tetraédrica perfeita de vizinho mais próximo, mas sem os planos de clivagem encontrados na estrutura do diamante”, disse Eggert, concordando com Oleynik que “a fase BC8 do carbono em condições ambientais seria provavelmente muito mais resistente que o diamante”.
Através de simulações multimilionárias de dinâmica molecular atômica no Frontier, o supercomputador exaescala mais rápido do mundo, a equipe descobriu a extrema metaestabilidade do diamante em pressões muito altas, excedendo significativamente sua faixa de estabilidade termodinâmica.
A chave para o sucesso foi o desenvolvimento de um potencial interatômico de aprendizado de máquina muito preciso que descreve interações entre átomos individuais com precisão quântica sem precedentes em uma ampla gama de condições de alta pressão e temperatura.
“Ao implementar eficientemente esse potencial no Frontier baseado em GPU (unidade de processamento gráfico), podemos agora simular com precisão a evolução temporal de bilhões de átomos de carbono sob condições extremas em tempo experimental e escalas de comprimento”, disse Oleynik. "Previmos que a fase pós-diamante BC8 seria experimentalmente acessível apenas dentro de uma região estreita, de alta pressão e alta temperatura do diagrama de fases de carbono."
O significado é duplo. Primeiro, elucida as razões por trás da incapacidade de experimentos anteriores de sintetizar e observar a indescritível fase BC8 do carbono. Esta limitação surge do fato de que o BC8 só pode ser sintetizado dentro de uma faixa muito estreita de pressões e temperaturas.
Além disso, o estudo prevê caminhos de compressão viáveis para acessar este domínio altamente restrito onde a síntese de BC8 se torna alcançável. Oleynik, Eggert, Millot e outros estão atualmente colaborando para explorar esses caminhos teóricos usando alocações de doses da Discovery Science no NIF.
A equipe sonha em um dia cultivar um superdiamante BC8 em laboratório, se ao menos conseguissem sintetizar a fase e depois recuperar um cristal de semente BC8 de volta às condições ambientais.
