Симулациите на неуловима въглеродна молекула, чиято твърдост е значително по-голяма от тази на диамантите, могат да проправят пътя към създаването ѝ в лаборатория.

Известна като 8-атомната кубична фаза с център в тялото (BC8), конфигурацията се очаква да бъде до 30 % по-устойчива на натиск от диаманта - най-твърдия известен стабилен материал на Земята.

Физици от САЩ и Швеция провеждат квантово точни симулации на молекулярна динамика на суперкомпютър, за да видят как се държи диамантът под високо налягане, когато температурите се повишат до нива, които би трябвало да го направят нестабилен. По този начин те разкриват нови сведения за условията, които биха могли да тласнат въглеродните атоми в диаманта към необичайната структура.

Фазата BC8 е наблюдавана преди това на Земята в два материала - силиций и германий. Екстраполирането на свойствата на BC8, регистрирани в тези материали, позволява на учените да определят как фазата би се проявила във въглерода.

Фазата BC8 на въглерода не съществува на Земята, въпреки че се предполага, че тя се крие в космоса в средите с високо налягане дълбоко в екзопланетите. Теорията предполага, че това е най-твърдата форма на въглерода, която може да остане стабилна при налягания, надвишаващи 10 милиона пъти атмосферното налягане на Земята. Ако може да бъде синтезиран и стабилизиран по-близо до нас, това би открило невероятни възможности за изследвания и приложение в материалите.

Смята се, че диамантът е толкова твърд заради атомната си структура. Тя представлява тетраедрична решетка - всеки въглероден атом в нея е свързан тетраедрично с четирите си най-близки съседи, което съответства на оптималната конфигурация на най-външните електрони на самия въглероден атом.

"Структурата на BC8 запазва тази перфектна тетраедрична форма на най-близките съседи, но без разцепващите равнини, които се срещат в структурата на диаманта", казва физикът Джон Егерт от Националната лаборатория "Лорънс Ливърмор". "Фазата BC8 на въглерода при околни условия вероятно ще бъде много по-твърда от диаманта."

Въпреки че въглеродът BC8 би трябвало да може да съществува при околни условия, опитите за синтезирането му в лаборатория се оказаха неуспешни Екип от изследователи, ръководени от физика Киен Нгуен Конг от Университета на Южна Флорида, използва мощта на суперкомпютрите, за да се опита да открие къде тези опити са се объркали.

Суперкомпютърът Frontier в Националната лаборатория Оук Ридж в момента е най-бързият в света. С помощта на този невероятен хардуер екипът разработва симулация, която описва взаимодействията между отделните атоми в много висок диапазон от условия на налягане и температура. Вследствие на нея те възпроизвеждат еволюцията на милиарди въглеродни атоми при екстремни условия.

Резултатите разкриват причината, поради която синтезът на въглерод BC8 е толкова труден за постигане.

"Предвиждахме, че постдиамантовата BC8 фаза ще бъде експериментално достъпна само в тясна област на фазовата диаграма на въглерода с високо налягане и висока температура“, обяснява физикът Иван Оленик от Университета на Южна Флорида.

С други думи, има само много малка област с високо налягане и температура, в която може да се образува въглерод BC8, и досега експериментите не са отговаряли на тези условия. От друга страна обаче, сега, когато знаем какви са тези условия, синтезът на BC8 въглерод може би най-накрая ще бъде постижим.

Откритията са публикувани в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Източник: Science Alert