Алмази відомі як найтвердіші з усіх існуючих речовин, і цей статус нещодавно був поставлений під сумнів. Теоретично, зміна у розташуванні атомів вуглецю має призвести до створення чогось ще твердішого, але поки що ніхто не досягнув тиску, необхідного для створення так званого “супералмазу”. Однак це може змінитися завдяки комп’ютерному моделюванню, яке вказує на умови, що можуть бути необхідними.
Міцність алмазів зумовлена тим, що кожен атом вуглецю з’єднаний з чотирма найближчими сусідами ковалентними зв’язками, створюючи надзвичайно щільно упаковані атоми. Відомо, що атоми вуглецю в чистому вигляді можуть розташовуватися один біля одного різними способами, і саме тому ви отримуєте такі матеріали, як бакболи та графен.
Тривають дебати про те, чи зможуть екзотичні матеріали перевершити алмази, використовуючи нітрид бору, але існує спосіб з’єднати атоми вуглецю разом, який теоретично міцніший, ніж традиційне алмазне розташування. Він відомий як восьмиатомний кубічний тілоцентрований (BC8) і, за оцінками, протистоїть стисненню на 30 відсотків краще, ніж звичайні алмази.
На такий матеріал, безумовно, буде промисловий попит, але вважається, що для надання атомам такої форми потрібен тиск щонайменше 10 мільйонів атмосфер (трильйон паскалів). Однак після створення вони повинні бути стабільними за більш нормальних умов. Лабораторіям вдалося досягти умов, за яких, згідно з попередніми оцінками, утворюються алмази BC8, але ці оцінки виявилися надто оптимістичними, і вчені задаються питанням, наскільки високим має бути тиск.
Якщо люди не змогли досягти таких екстремальних умов для створення супер-алмазів, можна припустити, що природа теж не зможе. На Землі це, швидше за все, так і є, але вважається, що деякі екзопланети (планети, що обертаються навколо інших зірок) можуть бути дуже багатими на вуглець. Тиск у центрі таких світів може бути достатнім для того, щоб задовольнити потреби.
“Екстремальні умови, що переважають на цих багатих на вуглець екзопланетах, можуть призвести до виникнення структурних форм вуглецю, таких як алмаз і BC8”, – сказав у своїй заяві професор Іван Олійник з Університету Південної Флориди. “Тому глибоке розуміння властивостей вуглецевої фази BC8 стає критично важливим для розробки точних моделей надр цих екзопланет”.
BC8 також може існувати в кремнії та германії, елементах, що стоять безпосередньо під вуглецем у періодичній таблиці, і вони вже були отримані. Використовуючи те, що ми знаємо про його утворення в цих елементах, Олійник і його колеги створили комп’ютерні моделі, щоб дослідити, що було б потрібно для того, щоб це сталося у вуглеці.
Обсяги розрахунків величезні, але, використовуючи Frontier, найшвидший у світі ексафлоплексний суперкомп’ютер, команда вважає, що вони визначили, що було б потрібно для того, щоб змусити мільярди атомів з’єднатися разом у бажаний спосіб. “Ми передбачили, що післяалмазна фаза BC8 буде експериментально доступною лише у вузькій високотемпературній області фазової діаграми вуглецю з високим тиском”, – сказав Олійник.
Зокрема, необхідний тиск у 1 050 000 000 000 000 паскалів при точній температурі, ймовірно, близько 6 000 К. Навіть вищий тиск розширить потенційний температурний діапазон, але не набагато. Щоб досягти цього, програма прогнозує, що звичайні алмази розплавляться в метастабільну переохолоджену вуглецеву рідину, з якої утворяться BC8. Подібно до частинок льоду в переохолодженій воді, кристали BC8 матимуть великі труднощі з початком утворення, але як тільки вони сформуються, то швидко зростатимуть шляхом зародження.
Чи здатне будь-яке обладнання на Землі впоратися з цим завданням, ще належить з’ясувати.
Якщо зможе, то, на думку авторів, вуглець BC8 може не просто перевершити стійкість алмазів до тиску. “Структура BC8 зберігає ідеальну тетраедричну форму найближчого сусіда, але без площин розщеплення, які притаманні структурі алмазу”, – говорить співавтор дослідження доктор Джон Еггерт з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса. Незважаючи на величезні витрати на створення чогось подібного, ця міцність може виявитися безцінною, а також дасть змогу дізнатися про внутрішню будову планет з такими ядрами.
