Самый быстрый в мире суперкомпьютер рассчитал технологию создания супералмаза
Алмазы не только ценятся как драгоценные камни, но и применяются в различных отраслях промышленности. Благодаря исключительной твердости и уникальным свойствам они используются, например, в бурении глубоких геотермальных скважин и производстве полупроводников для ядерных батарей. Ученые предсказывают, что может существовать материал тверже алмаза. Они предполагают, что это вещество, содержащее восемь атомов углерода на каждые четыре атома углерода, присутствующие в алмазе, образуется при экстремальных температурах и давлениях в недрах планет, как минимум в два раза больших Земли.
Создание супералмаза BC8 теоретически возможно в лаборатории, однако для этого необходимы условия, которые сложно воспроизвести. Требуется давление, в 10 млн раз превышающее атмосферное давление на Земле, и температура, приближающаяся к температуре поверхности Солнца. По этой причине проведение многочисленных физических экспериментов для получения BC8 непрактично. Нужно знать точные условия для его синтеза.
На помощь ученым пришел самый мощный в мире суперкомпьютер Frontier, расположенный в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Он способен моделировать миллионы атомных конфигураций при миллионах различных условий, чтобы определить параметры, необходимые для создания BC8. Группа исследователей Университета Южной Флориды получила доступ к Frontier для проведения симуляций и определила оптимальные условия для синтеза BC8.
Команда загрузила во Frontier огромное количество данных для обучения программного модуля LAMMPS, который расшифровывается как «Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator» (Масштабный атомно-молекулярный массово параллельный симулятор), чтобы выполнить необходимые вычисления. Суперкомпьютер детально изучил все возможные атомные конфигурации в системе из миллиарда атомов при экстремальных условиях, создав своего рода «отпечатки пальцев» для каждой атомной среды. Для проведения этого исследования потребовалось выполнить миллионы вычислительных операций. Без Frontier такое было бы невозможно.
После 24 часов работы на 8000 из более чем 9400 узлов суперкомпьютера команда получила результат, указывающий на неожиданный этап превращения углерода в BC8.
Оказалось, что обычные алмазы сначала должны расплавиться, прежде чем жидкий углерод сможет перестроиться в сверхпрочную структуру BC8. Это открытие меняет традиционные представления о фазовых переходах в твердых телах. Обычно переход из одной кристаллической фазы в другую происходит за счет согласованного перестроения атомной структуры. Но с алмазом все иначе. Из-за невероятно прочных связей между атомами углерода алмаз сначала нужно расплавить, чтобы он мог превратиться в новую форму — BC8. Для этого требуются экстремальные условия: давления, в 12 млн раз превышающего атмосферное, и температуры 4726 °C, что сопоставимо с температурой поверхности Солнца.
Исследования показали, что необходимые условия для формирования BC8 могут быть созданы с помощью серии ударных волн. Команда определила точные параметры этих волн, обеспечивающие достижение температуры и давления, требуемых для образования BC8. Теперь ученые приступят к практической проверке теории и попытаются создать BC8 в Национальном комплексе зажигания имени Лоуренса Ливермора. Это установка размером со стадион использует 192 мощных лазера для достижения температур свыше 180 млн градусов по Фаренгейту (~100 000 000 °C) и давления более 100 млрд земных атмосфер.