Simulasi superkomputer dari berlian super menyarankan jalan untuk menciptakannya

Berlian adalah material terkuat yang diketahui. Namun, bentuk karbon lain diperkirakan lebih keras daripada berlian. Tantangannya adalah bagaimana mewujudkannya di lapangan.

Kristal kubik oktahedral yang berpusat pada tubuh (BC8) adalah fase karbon yang berbeda: bukan berlian, tetapi sangat mirip. BC8 diharapkan menjadi material yang lebih kuat, menunjukkan kekuatan tekan 30% lebih besar dibandingkan berlian. Ia diyakini ditemukan di pusat planet ekstrasurya yang kaya karbon. Jika BC8 dapat diperoleh kembali dalam kondisi sekitar, maka dapat diklasifikasikan sebagai berlian super.

Fase kristal karbon bertekanan tinggi secara teoritis diharapkan menjadi fase karbon paling stabil di bawah tekanan melebihi 10 juta atmosfer.

“Karbon fase BC8 pada kondisi sekitar akan menjadi material superkeras baru yang kemungkinan lebih kuat dari berlian,” kata Ivan Oleinik, profesor fisika di Universitas South Florida (USF) dan penulis utama makalah yang baru-baru ini diterbitkan. di dalam Jurnal Surat Kimia Fisika.

“Meskipun banyak upaya untuk mensintesis fase kristal karbon yang sulit dipahami ini, termasuk kampanye National Ignition Facility (NIF) sebelumnya, hal ini belum pernah diamati,” kata Marius Mellot, ilmuwan Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) yang juga terlibat dalam penelitian tersebut. setelah”. “Tapi kami pikir itu mungkin ada di planet ekstrasurya yang kaya karbon.”

Pengamatan astrofisika baru-baru ini menunjukkan kemungkinan adanya planet ekstrasurya yang kaya karbon. Benda-benda langit ini, yang memiliki ciri massa yang besar, terkena tekanan yang sangat besar yang mencapai jutaan atmosfer di bagian dalamnya.

“Akibatnya, kondisi ekstrem yang terjadi di planet ekstrasurya yang kaya karbon ini dapat menimbulkan bentuk struktural karbon seperti berlian dan BC8,” kata Oleinik. “Oleh karena itu, pemahaman mendalam tentang sifat-sifat fase karbon BC8 menjadi penting untuk mengembangkan model interior eksoplanet yang akurat.”

BC8 adalah fase tekanan tinggi dari silikon dan germanium yang dapat diperoleh kembali pada kondisi sekitar, dan teori menunjukkan bahwa BC8 juga harus stabil pada kondisi sekitar.

Alasan terpenting mengapa intan begitu keras adalah karena bentuk tetrahedral dari empat atom tetangganya dalam struktur intan sama persis dengan konfigurasi optimal dari empat elektron valensi dalam unsur-unsur kolom 14 tabel periodik (dimulai dengan karbon, diikuti oleh silikon dan germanium), kata ilmuwan LLNL dan rekan penulis John Eggert. .

“Struktur BC8 mempertahankan bentuk sempurna dari tetangga tetrahedral terdekat, tetapi tanpa bidang pembelahan seperti yang ditemukan pada struktur berlian,” kata Eggert, setuju dengan Oleinik bahwa “fase karbon BC8 pada kondisi sekitar kemungkinan akan jauh lebih keras daripada berlian. ”

Melalui simulasi dinamika molekul atom di Frontier, superkomputer exascale tercepat di dunia, tim menemukan stabilitas ekstrim berlian pada tekanan sangat tinggi, jauh di luar kisaran stabilitas termodinamika.

Kunci keberhasilannya adalah pengembangan kemampuan interatomik yang sangat akurat untuk pembelajaran mesin, yang menggambarkan interaksi antara atom individu dengan presisi kuantitatif yang belum pernah terjadi sebelumnya pada berbagai kondisi tekanan dan suhu tinggi.

“Dengan menerapkan kemampuan ini secara efektif pada GPU Frontier, kami kini dapat secara akurat mensimulasikan evolusi temporal miliaran atom karbon dalam kondisi ekstrem pada skala waktu dan panjang eksperimental,” kata Olenik. “Kami berharap fase BC8 pasca-berlian hanya dapat diakses secara eksperimental dalam wilayah diagram fase karbon yang sempit, bertekanan tinggi, dan bersuhu tinggi.”

Pentingnya ada dua. Pertama, ini menjelaskan alasan di balik ketidakmampuan percobaan sebelumnya untuk mensintesis dan mengamati fase karbon BC8 yang sulit dipahami. Keterbatasan ini timbul dari kenyataan bahwa BC8 hanya dapat diproduksi dalam kisaran tekanan dan suhu yang sangat sempit.

Selain itu, penelitian ini memperkirakan jalur stres yang layak untuk mencapai domain yang sangat terbatas di mana sintesis BC8 menjadi mungkin. Oleynik, Eggert, Millot, dan lainnya saat ini berkolaborasi untuk mengeksplorasi jalur teoretis ini menggunakan alokasi snapshot Discovery Science di NIF.

Tim bermimpi suatu hari nanti dapat menumbuhkan berlian super-BC8 di laboratorium jika mereka hanya dapat memproduksi panggung dan kemudian memulihkan kristal benih BC8 dan mengembalikannya ke kondisi sekitar.