Des simulations de superdiamants sur ordinateur suggèrent une voie à suivre pour les créer

Le diamant est le matériau le plus résistant connu. Cependant, une autre forme de carbone devrait être plus dure que le diamant. Le défi est de savoir comment le créer sur le terrain.

Le cristal cubique octaédrique centré sur le corps (BC8) est une phase de carbone distincte : pas de diamant, mais très similaire. Le BC8 devrait être un matériau plus résistant, présentant une résistance à la compression 30 % supérieure à celle du diamant. On pense qu’il se trouve au centre d’exoplanètes riches en carbone. Si le BC8 peut être récupéré dans des conditions ambiantes, il peut être classé comme super diamant.

La phase cristalline du carbone à haute pression devrait théoriquement être la phase la plus stable du carbone sous des pressions supérieures à 10 millions d’atmosphères.

« La phase BC8 du carbone dans les conditions ambiantes constituerait un nouveau matériau ultra-dur qui sera probablement plus résistant que le diamant », a déclaré Ivan Oleinik, professeur de physique à l'Université de Floride du Sud (USF) et auteur principal d'un article récemment publié. dans Journal de lettres de chimie physique.

« Malgré de nombreux efforts pour synthétiser cette phase cristalline de carbone insaisissable, y compris les précédentes campagnes du National Ignition Facility (NIF), elle n'a jamais été observée », a déclaré Marius Mellot, un scientifique du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) qui a également participé à la recherche. après ». « Mais nous pensons qu'il pourrait être présent sur des exoplanètes riches en carbone. »

Des observations astrophysiques récentes indiquent l'existence plausible d'exoplanètes riches en carbone. Ces corps célestes, caractérisés par une masse importante, sont exposés à d'énormes pressions atteignant des millions d'atmosphères dans leurs profondeurs intérieures.

« Par conséquent, les conditions extrêmes qui prévalent au sein de ces exoplanètes riches en carbone pourraient donner naissance à des formes structurelles de carbone telles que les diamants et le BC8 », a déclaré Oleinik. « Par conséquent, une compréhension approfondie des propriétés de la phase carbonée BC8 devient cruciale pour développer des modèles intérieurs précis de ces exoplanètes. »

BC8 est une phase à haute pression de silicium et de germanium qui peut être récupérée dans des conditions ambiantes, et la théorie suggère que BC8 devrait également être stable dans des conditions ambiantes.

La raison la plus importante pour laquelle le diamant est si dur est que la forme tétraédrique des quatre atomes voisins dans la structure du diamant correspond exactement à la configuration optimale des quatre électrons de valence dans les éléments de la colonne 14 du tableau périodique (en commençant par le carbone, suivi du silicium). et le germanium), a déclaré le scientifique et co-auteur du LLNL, John Eggert.

« La structure BC8 conserve cette forme parfaite du voisin tétraédrique le plus proche, mais sans les plans de clivage trouvés dans la structure en diamant », a déclaré Eggert, d'accord avec Oleinik sur le fait que « la phase BC8 du carbone dans des conditions ambiantes serait probablement beaucoup plus dure que le diamant ». »

Grâce à des simulations de dynamique moléculaire atomique sur Frontier, le supercalculateur exascale le plus rapide au monde, l'équipe a découvert l'extrême stabilité du diamant à de très hautes pressions, bien au-delà de la plage de stabilité thermodynamique.

La clé du succès a été le développement de capacités interatomiques très précises pour l’apprentissage automatique, qui décrivent les interactions entre atomes individuels avec une précision quantitative sans précédent dans une large gamme de conditions de pression et de température élevées.

« En implémentant efficacement cette capacité sur le GPU Frontier, nous pouvons désormais simuler avec précision l'évolution temporelle de milliards d'atomes de carbone dans des conditions extrêmes à des échelles de temps et de longueur expérimentales », a déclaré Olenik. « Nous nous attendions à ce que la phase BC8 post-diamant ne soit accessible expérimentalement que dans une région étroite, à haute pression et à haute température du diagramme de phases du carbone. »

L’importance est double. Premièrement, il explique les raisons de l’incapacité des expériences précédentes à synthétiser et à observer la phase insaisissable BC8 du carbone. Cette limitation vient du fait que le BC8 ne peut être fabriqué que dans une plage très étroite de pressions et de températures.

De plus, l’étude prédit des voies de stress viables pour atteindre ce domaine hautement restreint où la synthèse de BC8 devient possible. Oleynik, Eggert, Millot et d'autres collaborent actuellement pour explorer ces voies théoriques en utilisant les allocations d'instantanés Discovery Science sur NIF.

L’équipe rêve de cultiver un jour des diamants super-BC8 en laboratoire si seulement elle peut fabriquer la scène, puis récupérer le germe cristallin BC8 et le remettre dans les conditions ambiantes.