מחשבי-על מפצחים את הקוד של סינתזת סופר-יהלומים

חוקרים נמצאים במסע לסינתזה של BC8, מבנה פחמן שצפוי להיות קשיח יותר מיהלום, תוך שימוש בתובנות מסימולציות מתקדמות ומאמצי ניסוי. חומר זה, שרווח תיאורטית בלחצים הקיצוניים של כוכבי לכת חיצוניים, נותר בגדר תעלומה מדעית עם יישומים מבטיחים במדעי החומרים.

יהלום הוא החומר החזק ביותר הידוע. עם זאת, צורה אחרת של פחמן נחזה להיות אפילו יותר קשוחה מיהלום. האתגר הוא איך ליצור אותו על כדור הארץ.

השמונה-אָטוֹם גביש מעוקב במרכז הגוף (BC8) הוא שלב פחמן מובהק: לא יהלום, אבל דומה מאוד. BC8 צפוי להיות חומר חזק יותר, המציג עמידות גדולה ב-30% בפני דחיסה מאשר יהלום. מאמינים שהוא נמצא במרכזם של כוכבי לכת אקזו-כוכבים עשירים בפחמן. אם ניתן היה לשחזר את BC8 בתנאי סביבה, ניתן היה לסווג אותו כיהלום-על.

תובנות תיאורטיות ואתגרים ניסויים

שלב בלחץ גבוה גבישי זה של פחמן צפוי באופן תיאורטי להיות השלב היציב ביותר של פחמן תחת לחצים העולה על 10 מיליון אטמוספרות.

"שלב BC8 של פחמן בתנאי סביבה יהיה חומר סופר-קשה חדש שכנראה יהיה קשיח יותר מיהלום", אמר איבן אוליניק, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת דרום פלורידה (USF) ומחבר בכיר של מאמר שפורסם לאחרונה ב כתב העת לכימיה פיזיקלית מכתבים.

הקשר החוץ-ארצי

"למרות מאמצים רבים לסנתז את שלב הגבישי הפחמן החמקמק הזה, כולל קמפיינים קודמים של מתקן ההצתה הלאומי (NIF), הוא עדיין לא נצפה", אמר מדען המעבדה הלאומית של לורנס ליברמור (LLNL), מריוס מילוט, שגם היה מעורב במחקר. "אבל אנחנו מאמינים שזה עשוי להתקיים בכוכבי לכת אקסופלנטים עשירים בפחמן."

תצפיות אסטרופיזיקליות אחרונות מצביעות על נוכחות סבירה של כוכבי לכת אקסו-פלנטים עשירים בפחמן. גרמי השמים הללו, המאופיינים במסה ניכרת, חווים לחצים עצומים המגיעים למיליוני אטמוספרות בפנים העמוק שלהם.

הבנת המאפיינים הייחודיים של BC8

"כתוצאה מכך, התנאים הקיצוניים השוררים בתוך כוכבי הלכת העשירים בפחמן הללו עשויים להוליד צורות מבניות של פחמן כמו יהלום ו-BC8," אמר אוליניק. "לכן, הבנה מעמיקה של המאפיינים של שלב הפחמן BC8 הופכת קריטית לפיתוח מודלים פנימיים מדויקים של כוכבי לכת אלה."

BC8 הוא שלב בלחץ גבוה הן של סיליקון והן של גרמניום שניתן לשחזר לתנאי הסביבה, והתיאוריה מציעה שגם פחמן BC8 צריך להיות יציב בתנאי הסביבה. מדען ומחבר שותף של LLNL, ג'ון אגרט, אמר שהסיבה החשובה ביותר לכך שהיהלום כל כך קשה היא שהצורה הטטרהדרלית של ארבעת האטומים הקרובים ביותר במבנה היהלום תואמת באופן מושלם את התצורה האופטימלית של ארבעת האלקטרונים הערכיים בעמודה 14. בטבלה המחזורית (מתחיל בפחמן, ואחריו סיליקון וגרמניום).

הדרך לסינתזה של BC8

"מבנה ה-BC8 שומר על צורת השכנה הטטרהדרלית המושלמת הזו, אך ללא מישורי המחשוף שנמצאו במבנה היהלום", אמר אגרט, והסכים עם אוליניק ש"שלב ה-BC8 של פחמן בתנאי הסביבה יהיה סביר הרבה יותר קשה מיהלום".

באמצעות סימולציות של מיליוני דינמיקה מולקולרית אטומית ב-Frontier, מחשב העל המהיר ביותר בעולם, חשף הצוות את המט-יציבות הקיצונית של יהלום בלחצים גבוהים מאוד, שחרגו משמעותית מטווח היציבות התרמודינמית שלו. המפתח להצלחה היה פיתוח של פוטנציאל אינטראטומי מדויק מאוד של למידת מכונה המתאר אינטראקציות בין אטומים בודדים עם קוונטים חסרי תקדים דיוק במגוון רחב של תנאי לחץ וטמפרטורה גבוהים.

"על ידי יישום יעיל של פוטנציאל זה ב-GPU מבוסס (יחידת עיבוד גרפית) Frontier, אנו יכולים כעת לדמות במדויק את התפתחות הזמן של מיליארדי אטומי פחמן בתנאים קיצוניים בסולם זמן ואורך ניסויים", אמר אוליניק. "חזינו שהשלב שלאחר היהלום BC8 יהיה נגיש בניסוי רק בתוך אזור צר בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה של דיאגרמת פאזת הפחמן."

אופק עתידי במחקר BC8

המשמעות היא כפולה. ראשית, הוא מבהיר את הסיבות לחוסר היכולת של ניסויים קודמים לסנתז ולצפות בשלב החמקמק של BC8 של פחמן. מגבלה זו נובעת מהעובדה שניתן לסנתז את BC8 רק בטווח צר מאוד של לחצים וטמפרטורות. בנוסף, המחקר חוזה מסלולי דחיסה ברי קיימא לגישה לתחום מוגבל מאוד זה שבו סינתזת BC8 הופכת לניתנת להשגה. Oleynik, Eggert, Millot ואחרים משתפים פעולה כעת כדי לחקור את המסלולים התיאורטיים הללו באמצעות הקצאות זריקות של Discovery Science ב-NIF.

הצוות חולם על יום אחד לגדל יהלום BC8 במעבדה, אם רק יוכלו לסנתז את הפאזה ואז לשחזר גביש זרע BC8 בחזרה לתנאי הסביבה.

המחבר הראשון של המאמר, Kien Nguyen Cong, לשעבר Ph.D. סטודנט עם Oleynik, הוא כעת חוקר פוסט-דוקטורט ב-LLNL. מחברים שותפים הם ג'ונתן ווילמן, ג'וזף גונזלס ואשלי וויליאמס ב-USF; אנטולי בלונושקו מהמכון המלכותי השבדי לטכנולוגיה; סטן מור, איידן תומפסון ומיצ'ל ווד במעבדות הלאומיות של Sandia; ולואיס זפדה-רואיז ב-LLNL. העבודה ב-USF, LLNL וסנדיה ממומנת על ידי המינהל הלאומי לביטחון גרעיני.