Najrýchlejší superpočítač na svete vydal recept na diamant z iného sveta

Diamanty nielenže vytvárajú pútavé šperky, ale používajú sa v rôznych aplikáciách po celom svete. Ako najtvrdší materiál na svete, a vďaka svojmu jedinečnému zloženiu, zohrávajú úlohu vo všetkom, od vŕtania pokročilých geotermálnych vrtov, až po polovodiče v jadrových batériách.

Predstavte si teda, aké možnosti by sa mohli otvoriť, keby sme dokázali vytvoriť látku, ktorá je ešte tvrdšia ako najtvrdší materiál, ktorý ľudstvo pozná. V skutočnosti si to vedci predstavovali už roky. Predpovedali, že materiál, ktorý má v sebe osem atómov uhlíka na každé štyri z tých, ktoré sa nachádzajú v diamante, pravdepodobne existuje pod extrémnym teplom a tlakom, ktoré sa nachádzajú v jadrách planét najmenej dvakrát väčších ako Zem.

Vytvorenie tohto „superdiamantu“ známeho ako BC8 (pre osematómovú kubickú jednotku v strede tela) by mohlo byť možné v laboratóriu, ale podmienky, ktoré je potrebné replikovať, sú prinajmenšom náročné. Replikátor by musel dosiahnuť 10 miliónov krát vyšší tlak než zemská atmosféra a teploty blížiace sa k povrchu Slnka, takže vykonávanie viacerých fyzikálnych experimentov na pokus o výrobu BC8 je trochu nepraktické.

Na scénu však vstupuje najrýchlejší superpočítač na svete: Frontier v laboratóriu Oak Ridge Lab amerického ministerstva energetiky. Má schopnosť spustiť milióny atómových modelovacích situácií v miliónoch súborov podmienok, aby presne určil, čo by bolo potrebné na vytvorenie superdiamantu BC8. Tím výskumníkov vedený Ivanom Oleynikom, hlavným autorom štúdie a profesorom fyziky na Univerzite v Južnej Floride, dostal povolenie na prístup k superpočítaču Frontier, aby zistil, či im môže pomôcť rozlúštiť kód k superdiamantu BC8. A fungovalo to.

„Je to najväčšia výzva fyziky vysokého tlaku,“ povedal Oleynik. „Je to naša verzia kameňa mudrcov, o ktorom stredovekí alchymisti verili, že premení olovo na zlato, ak ho len nájdu. Alchymisti nemali Frontier.“

Profesor a jeho tím poskytli superpočítaču Frontier ohromujúce množstvo údajov na trénovanie softvérového modulu známeho ako LAMMPS, čo je skratka pre softvérový modul Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator (Veľký atómový / molekulárny masívne paralelný simulátor), na vykonávanie potrebných výpočtov. Oleynik povedal, že ostatné počítače jednoducho príliš uviazli už pri spustení programu.

„V podstate sme odtlačili každé atómové prostredie okolo každého atómu v systéme s miliardou atómov, čo by mohlo vzniknúť počas vývoja systému pri extrémnych tlakoch a teplotách,“ povedal Oleynik. „Bez Frontiera by to bolo nemožné.“

„Pre túto štúdiu sme potrebovali simulovať viac ako miliardu atómov a zároveň vykonať až milión časových krokov v simuláciách molekulárnej dynamiky,“ dodal. „Mali sme prístup k iným superpočítačom, ale žiadny z nich nemal ani dostatočný výpočtový výkon na to, aby zvládol toľko atómov.“

Po spustení LAMMPS približne 24 hodín pomocou 8 000 z viac ako 9 400 uzlov Frontieru dostal tím odpoveď, ktorá ukázala jedinečný a mierne prekvapivý krok, ktorý by bol potrebný na premenu uhlíka na BC8. Vedci zistili, že tradičné diamanty sa budú musieť najskôr roztaviť, kým sa uhlíková kvapalina preskupí do superpevnej štruktúry BC8.

„Je to nový objav v tomto zmysle, pretože vo väčšine prípadov sa materiály transformujú z jednej kryštalickej fázy do druhej koordinovaným preskupením atómovej štruktúry,“ povedal Oleynik. „Ale uhlíkové väzby, ktoré tvoria diamant, sú také silné, že musíme diamant roztaviť, aby sme ho premenili na novú kryštalickú fázu BC8. To pridáva do tohto procesu ďalšiu vrstvu s ešte extrémnejšími tlakmi a teplotami – 12 miliónov násobok tlaku zemskej atmosféry a 5 000 K, čo je blízko k teplote slnečného povrchu.“

Výskum odhalil, že takéto podmienky by mohli byť vytvorené prostredníctvom série rázových vĺn a poskytol tímu presne správnu úroveň takýchto vĺn, aby dosiahli hodnoty teploty a tlaku potrebné na vytvorenie BC8.

Teraz tím začína testovať tieto znalosti pokusom o syntetizáciu BC8 v Národnom zapaľovacom zariadení Národného laboratória Lawrenca Livermora, zariadení na jadrovú fúziu veľkosti štadióna, ktoré využíva 192 výkonných laserov na vytváranie teplôt presahujúcich 82 miliónov stupňov Celzia a tlakov vyšších ako 100 miliárd zemských atmosfér.

„Vďaka Frontieru máme veľkú šancu na úspech,“ uzavrel Oleynik. „Stále je to extrémna výzva bez záruk, ale v tieto výsledky máme veľkú dôveru.“

Video, ktoré si môžete pozrieť na začiatku článku alebo priamo TU, poskytuje ďalšie informácie o zisteniach.