تقترح عمليات محاكاة الكمبيوتر العملاق للألماس الفائق طريقًا لتكوينه

الماس هو أقوى مادة معروفة. ومع ذلك، من المتوقع أن يكون شكل آخر من الكربون أصعب من الماس. التحدي هو كيفية تحقيق ذلك على الأرض.

إن البلورة المكعبة ذات الثماني ذرات (BC8) المتمركزة حول الجسم هي مرحلة كربون فريدة من نوعها: ليست ألماس، ولكنها متشابهة جدًا. من المتوقع أن تكون BC8 مادة أقوى، حيث تظهر مقاومة للضغط أكبر بنسبة 30% من الماس. ويُعتقد أنه يقع في قلب كوكب خارجي غني بالكربون. إذا تم استرداد BC8 في الظروف المحيطة، فسيتم تصنيفه على أنه ألماس فائق.

من المتوقع نظريًا أن تكون مرحلة الضغط العالي البلوري من الكربون هي المرحلة الأكثر استقرارًا للكربون تحت ضغوط تتجاوز 10 ملايين ضغط جوي.

وقال إيفان أولينيك، أستاذ الفيزياء في جامعة جنوب فلوريدا (USF) والمؤلف الرئيسي للورقة المنشورة مؤخرا: “إن مرحلة BC8 من الكربون في الظروف المحيطة يمكن أن تكون مادة جديدة فائقة الصلابة، أصعب من الماس”. داخل مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية.

وقال ماريوس ميليت، عالم مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، الذي شارك في البحث: “على الرغم من المحاولات العديدة لتجميع هذه المرحلة المراوغة من الكربون البلوري، بما في ذلك الحملات السابقة لمرفق الإشعال الوطني (NIF)، إلا أنه لم يتم ملاحظتها بعد”. “لكننا نعتقد أنه يمكن أن يكون على الكواكب الخارجية الغنية بالكربون.”

تشير الملاحظات الفيزيائية الفلكية الأخيرة إلى وجود معقول للكواكب الخارجية الغنية بالكربون. وتتعرض هذه الأجرام السماوية، التي تتميز بكتلة كبيرة، لضغوط هائلة تصل إلى ملايين الأجواء في باطنها العميق.

وقال أولينيك: “ونتيجة لذلك، يمكن للظروف القاسية داخل هذه الكواكب الخارجية الغنية بالكربون أن تخلق أشكالًا هيكلية من الكربون مثل الماس وBC8”. “لذلك، يصبح الفهم الأعمق لخصائص مرحلة الكربون BC8 أمرًا بالغ الأهمية لتطوير نماذج داخلية دقيقة لهذه الكواكب الخارجية.”

BC8 عبارة عن مرحلة عالية الضغط من كل من السيليكون والجرمانيوم والتي يمكن استردادها في الظروف المحيطة، وتشير النظرية إلى أن الكربون BC8 يجب أن يكون أيضًا مستقرًا في الظروف المحيطة.

قال عالم LLNL والمؤلف المشارك جون إيجيرت إن السبب الأكثر أهمية لصلابة الماس هو أن الشكل الرباعي السطوح للذرات الأربع المتجاورة في بنية الماس يتطابق تمامًا مع التكوين الأمثل لإلكترونات التكافؤ الأربعة في عناصر العمود 14. في الجدول الدوري (بدءاً بالكربون ثم السيليكون فالجرمانيوم).

قال إيجيرت: “يحافظ هيكل BC8 على هذا الشكل المثالي لأقرب جار رباعي السطوح، ولكن بدون مستويات الانقسام التي تظهر في هيكل الماس، في ظل الظروف المحيطة، تكون مرحلة BC8 من الكربون أصعب بكثير من الماس”، متفقًا مع أولينيك.

من خلال محاكاة الديناميكيات الجزيئية بملايين الذرات على فرونتير، أسرع حاسوب عملاق بالإكساسكيل في العالم، اكتشف الفريق قابلية الاستقرار القصوى للألماس عند ضغوط عالية جدًا، متجاوزة بشكل كبير حد الاستقرار الديناميكي الحراري.

إن مفتاح النجاح هو تطوير ديناميكيات نووية دقيقة للغاية للتعلم الآلي، والتي تصف التفاعلات بين الذرات الفردية بدقة كمومية غير مسبوقة عبر نطاق واسع من ظروف الضغط ودرجة الحرارة المرتفعة.

وقال أولينيك: “من خلال التنفيذ الفعال لهذه القدرة على حدود (وحدة معالجة الرسومات)، يمكننا الآن محاكاة التطور الزمني لمليارات ذرات الكربون بدقة في ظل الظروف القاسية على مقاييس زمنية وطولية تجريبية”. “نتوقع أن مرحلة ما بعد الماس BC8 لا يمكن الوصول إليها تجريبيًا إلا ضمن المنطقة الضيقة ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة في مخطط طور الكربون.”

الأهمية ذات شقين. أولاً، يشرح الأسباب الكامنة وراء عدم قدرة التجارب السابقة على تصنيع ومراقبة مرحلة BC8 بعيدة المنال من الكربون. ينشأ هذا القيد من حقيقة أن BC8 لا يمكن تصنيعه إلا ضمن نطاق ضيق جدًا من الضغوط ودرجات الحرارة.

بالإضافة إلى ذلك، تتنبأ الدراسة بمسارات الانكماش المحتملة للوصول إلى هذا المجال المقيد للغاية الذي يمكن أن يصل إليه تخليق BC8. يتعاون Oleynik وEggert وMillot وآخرون حاليًا لاستكشاف هذه المسارات النظرية باستخدام تخصيصات Discovery Science Shot في NIF.

يحلم الفريق بزراعة ماسات BC8 الفائقة يومًا ما في المختبر، حيث يمكنهم تصنيع المرحلة ثم استعادة بلورة بذور BC8 إلى الظروف المحيطة.