研究人員正在利用先進的模擬和實驗研究成果，努力合成一種碳結構的材料–BC8，據預測它比鑽石還要堅硬。從理論上講，這種材料普遍存在於系外行星的極壓環境中，但它在材料科學領域的應用前景仍然是一個科學謎團。

超級電腦模擬預測了難以捉摸的BC8″超級鑽石”的合成途徑，其中涉及鑽石前驅體的衝擊壓縮，為正在NIF 進行的”發現科學”實驗提供了靈感。資料來源：Mark Meamber/LLNL

鑽石是已知最堅硬的材料。然而，據預測，另一種形式的碳甚至比鑽石更堅硬。挑戰在於如何在地球上製造它。

八原子體心立方（BC8）晶體是一種獨特的碳相：不是鑽石，但非常相似。據預測，BC8 是一種更堅固的材料，其抗壓性能比鑽石高出30%。據信，富碳系外行星的中心就有這種晶體。如果能在環境條件下回收BC8，它就可以被歸類為超級鑽石。

理論啟示與實驗挑戰

根據理論預測，在超過1000 萬個大氣壓力的壓力下，這種碳的結晶高壓相是最穩定的碳相。

南佛羅裡達大學（USF）物理學教授、最近發表在《物理化學通訊》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上的一篇論文的資深作者伊万-奧利尼克（Ivan Oleynik）說：”在環境條件下，碳的BC8相將是一種新的超硬材料，可能比鑽石更堅硬。”

地外聯繫

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）科學家馬裡烏斯-米洛特（Marius Millot）說：”儘管為合成這種難以捉摸的碳晶相做出了無數努力，包括之前的國家點火裝置（ NIF）活動，但至今仍未觀測到這種碳晶相。”但我們相信，富碳系外行星中可能存在這種物質。”

最近的天文物理觀測表明，系外行星中可能存在富碳行星。這些天體具有相當大的質量，在其內部深處承受著高達數百萬個大氣壓力的巨大壓力。

了解BC8 的獨特性能

Oleynik說：”因此，這些富碳系外行星內部的極端條件可能會產生鑽石和BC8等碳的結構形式。因此，深入了解BC8碳相的特性對於開發這些系外行星的精確內部模型至關重要。”

BC8 是矽和鍺的高壓相，可在環境條件下恢復，理論表明BC8 碳也應在環境條件下保持穩定。LLNL 科學家兼合著者Jon Eggert 說，鑽石之所以如此堅硬，最重要的原因是鑽石結構中四個最近鄰原子的四面體形狀與元素週期表中第14 列元素（從碳開始，然後是矽和鍺）中四個價電子的最佳配置完全吻合。

合成BC8 的途徑

埃格特說：”BC8結構保持了這種完美的四面體近鄰形狀，但沒有鑽石結構中的裂隙面，”他同意奧萊尼克的觀點，”在環境條件下，BC8碳相可能比鑽石更堅硬”。

透過在全球速度最快的超大規模超級電腦”Frontier”上進行數百萬次原子分子動力學模擬，研究團隊發現了鑽石在極高壓下的極端隕變性，大大超出了其熱力學穩定性範圍。成功的關鍵在於開發出了非常精確的機器學習原子間勢，它能在各種高壓和高溫條件下以前所未有的量子精度描述單一原子之間的相互作用。

Oleynik說：”透過在基於GPU（圖形處理單元）的前沿技術上高效地實現這一潛能，我們現在可以在實驗時間和長度尺度的極端條件下精確地模擬數十億碳原子的時間演化。我們預測，只有在碳相圖的一個狹窄的高壓、高溫區域內，才能透過實驗獲得後鑽石BC8 相。”

BC8 研究的未來前景

其意義是雙重的。首先，它闡明了以往實驗無法合成和觀察難以捉摸的BC8 碳相的原因。這項限制源自於BC8 只能在非常狹窄的壓力和溫度範圍內合成。此外，該研究還預測了可行的壓縮途徑，以進入這個高度受限的領域，從而實現BC8 的合成。目前，Oleynik、Eggert、Millot 和其他人正在合作，利用NIF 上的”發現科學”鏡頭分配來探索這些理論途徑。

團隊夢想著有一天能在實驗室中培育出BC8 超級鑽石，只要他們能合成這種相，然後將BC8 種子晶體恢復到環境條件下。

編譯自: ScitechDaily