Superpočítač a diamant. Kredit: generative image via New Atlas.

Diamanty jsou nejen blyštivými drahokamy, ale také představují velmi užitečný materiál, z běžně dostupných nejtvrdší na světě, pro rozmanité aplikace, od vrtných souprav až po polovodiče v jaderných bateriích. Jsou ale i tvrdší možnosti.

Superdiamanty BC8 (eight-atom body-centered cubic) by měly být tvrdší než cokoliv z toho, co známe. Vědci je vlastně předpověděli už dávno, velmi extrémní formu diamantu, v němž se nachází 8 atomů uhlíku tam, kde má běžný diamant jen 4 uhlíky. Potíž byla v tom, že superdiamantový materiál by měl existovat za tak vysokých tlaků a teplot, jaké panují v centru planet nejméně dvakrát větších než Země.

Ivan Oleynik. Kredit: University of South Florida.

Přesto je v zásadě možné vytvořit superdiamanty BC8 v laboratoři, pokud se jim tam povede dosáhnout ohromného tlaku a velice vysoké teploty. Ukázalo se, že je to skvělá příležitost pro americký superpočítač Frontier, momentálně nejvýkonnější na světě, který jede na 1,7 exaFLOPS v zařízení Oak Ridge Leadership Computing Facility v Tennessee. Fyzik Ivan Oleynik z americké University of South Florida a jeho tým sehnali strojový čas na Frontieru a zkusili s ním udělat praktičtější recept na superdiamant BC8.

Frontier. Kredit: OLCF at ORNL, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Jak skromně poukazuje Oleynik, jde o ultimátní výzvu fyziky vysokých tlaků. Podle něj jde o moderní verzi Kamene mudrců, který hledali středověcí alchymisté. Jenomže ti neměli Frontier. Vědci nakrmili Frontier ohromným množstvím dat, aby trénovali modul LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator), který byl pro účely hledání receptu na superdiamant vhodný.

Bylo to výpočetně náročné. LAMMPS běžel 24 hodin na 8 tisících z 9 400 výpočetních jader Frontieru. Analýzy ukázaly, že je možné přeměnit běžné diamanty na superdiamanty, ale vyžaduje to zvláštní krok. Je nutné nejprve roztavit běžné diamanty a jejich strukturu pak lze přestavět na superdiamanty. Takový proces pochopitelně vyžaduje velmi extrémní podmínky – tlak cca 12 milionů atmosfér a teplotu přes 4 700 °C, blížící se teplotě na povrchu Slunce.

Jsou to pekelné požadavky. Nicméně, Frontier vědcům napověděl, že je možné takových podmínek dosáhnout sériemi vhodně uspořádaných rázových vln. Oleynik s kolegy zahajují testování uvedeného receptu na superdiamant v zařízení National Ignition Facility laboratoří Lawrence Livermore National Laboratory. Tam jsou na to vybaveni více než dobře. Jejich 192 laserů dokáže vytvořit teplotu 100 milionů °C a tlak vyšší než 100 miliard atmosfér. Podle Oleynika to sice není zaručené, ale s Frontierem prý mají solidní naději na úspěch.

Video: Could Frontier help build a better diamond?

Literatura

New Atlas 30. 7. 2024.

Journal of Physical Chemistry Letters 15(4).