Il re dei supercomputer trova la ricetta dei “super diamanti”

Fino a prova contraria, i diamanti rimangono il materiale naturale più duro disponibile. Grazie al suo reticolo perfettamente organizzato in cui ogni atomo di carbonio è collegato a quattro dei suoi vicini, è incredibilmente resistente alla pressione. Tuttavia, la teoria suggerisce che sarebbe possibile produrre metalli con maggiore durezza. Nessuno ci è ancora riuscito, ma i ricercatori hanno fatto un grande passo in questa direzione grazie al supercomputer più potente del pianeta.

Una teoria suggerisce che in un ambiente ricco di carbonio puro, condizioni di pressione e temperatura estreme potrebbero dare origine a un tipo di “superdiamante”. Questo ipotetico metallo sarebbe basato su una struttura chiamata BC8, dove ogni atomo è legato a 8 dei suoi vicini. Forzando gli atomi di carbonio ad adottare questa configurazione, i ricercatori ritengono che sarà possibile creare un materiale resistente alla pressione del 30% in più rispetto al diamante naturale.

Simulazione della struttura BC8 del carbonio. © Artem R. Oganov

La struttura BC8 mantiene una perfetta forma tetraedrica, ma senza i piani di clivaggio presenti in una struttura a diamante », spiega John Eggert, fisico e coautore di questo lavoro. “ In condizioni ambientali, è probabile che la fase BC8 del carbonio sia molto più forte del diamante “, specifica.

Il problema è che questa struttura è stata osservata solo in due materiali: silicio e germanio. Ma finora tutti i tentativi di ottenere lo stesso risultato utilizzando gli atomi di carbonio sono falliti.

Il re dei supercomputer in soccorso

Così Eggert e i suoi colleghi si appellarono al sovrano indiscusso dell’HPC, Dio Onnipotente. confine Dal Laboratorio Nazionale di Oak Ridge. Questa vera bestia si trova in cima I primi 500, lo standard di settore per il calcolo ad alte prestazioni, da giugno 2022 – per sempre nel settore. È stato La prima macchina a superare la leggendaria barra degli exaflopO un miliardo di miliardi di operazioni al secondo. Finora solo un altro supercomputer pubblico, Aurora, è riuscito ad unirsi a questo circolo molto ristretto.

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I ricercatori hanno utilizzato la macchina per cercare di comprendere meglio il comportamento del materiale in condizioni di pressione e temperatura estreme. Hanno utilizzato 8.699.904 core (!) per funzionare Algoritmi di nuova generazione basati sull'apprendimento automatico. Permettono di simulare le interazioni tra molti singoli atomi con sorprendente precisione.

© Laboratorio nazionale di Oak Ridge

Applicando questo approccio a Frontier, siamo stati in grado di simulare accuratamente l’evoluzione di miliardi di atomi di carbonio in condizioni estreme e su una scala temporale e di lunghezza compatibile con gli esperimenti nel mondo reale. “, spiega Ivan Oleinik, autore principale di questo lavoro.

Carbon BC8 finalmente a portata di mano?

Grazie all'enorme potenza del supercomputer, il team è riuscito a determinare cosa che gli atomi di carbonio non potrebbero fare Adottando questa famosa struttura BC8 solo in precise condizioni di pressione e temperaturasuperiore a 10 milioni di volte la pressione atmosferica e compreso tra 3700 e 5700 gradi Celsius.

Diagramma di fase Bc8
© Nguyen Cong et al.

Questo spiega perché nessuno è mai riuscito a produrre i “diamanti BC8”: cercando di spingere al limite questi parametri anziché puntare a valori precisi, i ricercatori semplicemente È uscito da questa finestra piuttosto stretta.

La buona notizia è che questo lavoro ha permesso al team anche di identificare metodi di compressione che potrebbero rendere possibile tale operazione Sintesi di questa sostanza sulla Terra. Una prospettiva davvero entusiasmante. In effetti, i diamanti svolgono un ruolo centrale in molti settori, come l’estrazione delle risorse e la produzione, che fanno affidamento sull’eccezionale durezza di questo materiale. In questo contesto, superdiamanti di questo tipo potrebbero consentire di realizzare macchine utensili più efficienti e durevoli.

Infine, questa azione può avere anche delle ripercussioni Scienza planetaria. In effetti, gli astronomi hanno già identificato diversi esopianeti ricchi di carbonio al di fuori del nostro sistema solare. In teoria, le condizioni nel suo intestino potrebbero essere compatibili con la formazione di carbonio BC8. Pertanto, la determinazione delle proprietà di questo materiale può fornire una migliore comprensione della storia di questi corpi celesti. “ Una profonda comprensione delle proprietà del carbonio BC8 diventa cruciale per modellare accuratamente gli interni di questi esopianeti », ha concluso Oleinik.

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Il testo dello studio è disponibile ecco.

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