Τα υπερδιαμάντια BC8 είναι σκληρότερα από κάθε άλλο γνωστό υλικό, αλλά πιθανώς υπάρχουν μόνο στους πυρήνες γιγάντιων εξωπλανητών. Ωστόσο, ο υπερυπολογιστής Frontier αποκάλυψε το μυστικό του σχηματισμού τους, μια διαπίστωση που θα μπορούσε να οδηγήσει στην παραγωγή τους στη Γη.
Τα διαμάντια δεν αποτελούν μόνο εντυπωσιακά κοσμήματα, αλλά χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές σε όλο τον κόσμο. Ως η σκληρότερη ύλη στον κόσμο, και χάρη στη μοναδική τους σύσταση, έχουν ρόλο σε όλα, από τη διάνοιξη προηγμένων γεωθερμικών πηγών μέχρι τη χρήση τους ως ημιαγωγοί σε πυρηνικές μπαταρίες.
Φανταστείτε λοιπόν τι δυνατότητες θα μπορούσαν να ανοίξουν αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε μια ύλη που να είναι ακόμη πιο σκληρή από το σκληρότερο υλικό που γνωρίζει η ανθρωπότητα.
Για την ακρίβεια, αυτό οραματίζονται οι επιστήμονες εδώ και χρόνια. Έχουν προβλέψει ότι ένα υλικό το οποίο έχει οκτώ άτομα άνθρακα συσκευασμένα σε αυτό για κάθε τέσσερα από αυτά που βρίσκονται σε ένα διαμάντι, πιθανόν να υφίσταται κάτω από ακραίες συνθήκες θερμότητας και πίεσης που βρίσκονται στους πυρήνες των πλανητών τουλάχιστον δύο φορές μεγαλύτερων από τη Γη.
Η δημιουργία αυτού του «υπερδιαμαντιού», γνωστού ως BC8, μπορεί να είναι δυνατή στο εργαστήριο, αλλά οι συνθήκες που πρέπει να αναπαραχθούν είναι τουλάχιστον δύσκολες. Ένας αναπαραγωγικός αντιγραφέας θα πρέπει να φτάσει σε 10 εκατομμύρια φορές την πίεση της γήινης ατμόσφαιρας και σε θερμοκρασίες που να πλησιάζουν αυτές της επιφάνειας του Ήλιου, οπότε η εκτέλεση πολλαπλών φυσικών πειραμάτων για την απόπειρα παραγωγής του BC8 είναι λίγο ανέφικτη.
Εδώ έρχεται να βοηθήσει ο γρηγορότερος υπερυπολογιστής του κόσμου, ο Frontier στο εργαστήριο Oak Ridge του Υπουργείου Ενέργειας. Έχει τη δυνατότητα να εκτελέσει εκατομμύρια καταστάσεις ατομικής μοντελοποίησης σε εκατομμύρια σύνολα συνθηκών για να καθορίσει τι ακριβώς θα χρειαζόταν για να σχηματιστεί το BC8. Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ivan Oleynik, κύριο συγγραφέα της μελέτης και καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Φλόριντα, πήρε άδεια πρόσβασης στον Frontier για να δει αν θα μπορούσε να τους βοηθήσει να σπάσουν τον κώδικα του BC8 – και τα κατάφερε.
«Είναι η απόλυτη πρόκληση της Φυσικής Υψηλής Πίεσης», δήλωσε ο Oleynik. «Είναι η δική μας εκδοχή της φιλοσοφικής λίθου που οι μεσαιωνικοί αλχημιστές πίστευαν ότι θα μετέτρεπε το μόλυβδο σε χρυσό, αν μπορούσαν μόνο να τη βρουν. Οι αλχημιστές δεν είχαν το Frontier».
Ο καθηγητής και η ομάδα του τροφοδότησαν το Frontier με έναν εκπληκτικό όγκο δεδομένων για να εκπαιδεύσουν μια μονάδα λογισμικού γνωστή ως LAMMPS, που σημαίνει Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator software module, ώστε να εκτελεί τους απαραίτητους υπολογισμούς. Ο Oleynik δήλωσε ότι άλλοι υπολογιστές απλά καθυστερούσαν πάρα πολύ για να εκτελέσουν το πρόγραμμα.
Ουσιαστικά αποτυπώσαμε κάθε ατομικό περιβάλλον γύρω από κάθε άτομο σε ένα σύστημα δισεκατομμυρίων ατόμων που θα μπορούσε να προκύψει κατά την εξέλιξη του συστήματος σε ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες. Χωρίς το Frontier, αυτό θα ήταν αδύνατο. Για τη μελέτη αυτή, χρειάστηκε να προσομοιώσουμε περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο άτομα, εκτελώντας παράλληλα έως και ένα εκατομμύριο χρονικά βήματα σε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Είχαμε πρόσβαση σε άλλους υπερυπολογιστές, αλλά κανένας από αυτούς δεν είχε καν αρκετή υπολογιστική ισχύ για να διαχειριστεί τόσα πολλά άτομα.
Μετά την εκτέλεση του LAMMPS για περίπου 24 ώρες χρησιμοποιώντας 8.000 από τους περισσότερους από 9.400 κόμβους του Frontier, η ομάδα έλαβε μια απάντηση που έδειξε ένα μοναδικό και ελαφρώς εκπληκτικό βήμα που θα ήταν απαραίτητο για τη μετατροπή του άνθρακα σε BC8. Διαπίστωσαν ότι τα παραδοσιακά διαμάντια θα έπρεπε πρώτα να λιώσουν πριν το υγρό άνθρακα μπορέσει στη συνέχεια να αναδιαταχθεί στην υπερ-ισχυρή δομή του BC8.
Είναι μια νέα ανακάλυψη με αυτή την έννοια, επειδή στις περισσότερες περιπτώσεις τα υλικά μετατρέπονται από μια κρυσταλλική φάση σε μια άλλη με συντονισμένη αναδιάταξη μιας ατομικής δομής. Αλλά οι δεσμοί άνθρακα που συνθέτουν ένα διαμάντι είναι τόσο ισχυροί, που πρέπει να λιώσουμε το διαμάντι για να το μετατρέψουμε σε μια νέα κρυσταλλική φάση BC8. Έτσι, αυτό προσθέτει ένα ακόμη επίπεδο σε αυτή τη διαδικασία με ακόμη πιο ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες – 12 εκατομμύρια φορές την πίεση της γήινης ατμόσφαιρας και 5.000 Κ, που είναι κοντά στη θερμοκρασία της επιφάνειας του Ήλιου.
Η έρευνα αποκάλυψε ότι τέτοιες συνθήκες θα μπορούσαν να δημιουργηθούν μέσω μιας σειράς κρουστικών κυμάτων, και παρείχε στην ομάδα ακριβώς το σωστό επίπεδο τέτοιων κυμάτων για να φτάσει στις ενδείξεις θερμοκρασίας και πίεσης που είναι απαραίτητες για να σχηματιστεί το BC8.
Τώρα η ομάδα αρχίζει να δοκιμάζει αυτή τη γνώση επιχειρώντας να συνθέσει BC8 στο Lawrence Livermore National Laboratory’s National Ignition Facility, μια εγκατάσταση πυρηνικής σύντηξης σε μέγεθος σταδίου που χρησιμοποιεί 192 ισχυρά λέιζερ για να δημιουργήσει θερμοκρασίες άνω των 180 εκατομμυρίων βαθμών Φαρενάιτ και πιέσεις άνω των 100 δισεκατομμυρίων γήινων ατμοσφαιρών.
Χάρη στο Frontier, έχουμε πολλές πιθανότητες επιτυχίας. Είναι ακόμα μια ακραία πρόκληση χωρίς εγγυήσεις, αλλά έχουμε μεγάλη εμπιστοσύνη σε αυτά τα αποτελέσματα.
[via]
