世界上最快的超级计算机破解了“超级钻石”的合成配方

“BC8超级钻石”比任何已知的物质都要硬，但它们可能只存在于巨型系外行星的核心。现在，Frontier超级计算机已经解开了它们形成的秘密，这一发现可能会导致它们在地球上产生。

钻石不仅是引人注目的珠宝，而且在世界各地有各种各样的应用。作为世界上最坚硬的物质，由于其独特的结构，它们在从钻探先进的地热井到在核电池中用作半导体的各个方面都发挥着作用。

所以想象一下，如果我们能创造出一种比人类已知最坚固的物质更坚固的物质，会有什么样的可能性。

事实上，这正是科学家们多年来所设想的。他们预测，一种含有8个碳原子的物质，其碳原子数量是钻石中碳原子数量的4倍，这种物质可能存在于比地球大至少两倍的行星核心的极端高温和压力下。

在实验室中创造这种被称为BC8（8原子体心立方）的“超级钻石”是可能的，但至少可以说，需要复制的条件是具有挑战性的。复制器需要达到地球大气压力的1000万倍，温度接近太阳表面的温度，所以，进行多次物理实验来尝试生产BC8有点不切实际。

世界上最快的超级计算机：美国能源部橡树岭实验室的“前沿（Frontier）”。它有能力在数百万组条件下运行数百万种原子建模情况，以准确确定形成BC8所需的条件。该研究的主要作者、南佛罗里达大学物理学教授伊万·奥利尼克（Ivan Oleynik）领导的一组研究人员获准进入Frontier，看看它是否能帮助他们破解BC8的密码 —— 结果成功了。

魔法石

“这是高压物理的终极挑战，”奥利尼克说。“这是我们版本的贤者之石，中世纪的炼金术士相信，只要能找到它，就能把铅变成金子。但炼金术士没有Frontier。”

这位教授和他的团队向Frontier提供了数量惊人的数据，用于训练一个名为“LAMMPS”的软件模块来执行必要的计算。LAMMPS代表大规模原子/分子大规模并行模拟器软件模块。奥利尼克说，其他的电脑会陷入太多的困境，无法运行这个程序。

奥利尼克说：“我们基本上对一个十亿个原子系统中每个原子周围的每个原子环境进行了指纹识别，这可能是系统在极端压力和温度下进化的结果。没有Frontier，这是不可能的。”

“在这项研究中，我们需要模拟超过10亿个原子，同时在分子动力学模拟中执行多达100万个时间步，”他补充说。“我们可以使用其他超级计算机，但它们都没有足够的计算能力来处理这么多原子。”

震惊的发现

在使用Frontier的9400多个节点中的8000个节点运行LAMMPS大约24小时后，该团队得到了一个答案，这个答案显示了将碳转化为BC8所必需的一个独特而稍微令人惊讶的步骤。他们发现，传统的钻石首先需要融化，然后碳液体才能重新排列成BC8的超强结构。

奥利尼克说：“从这个意义上说，这是一个新发现，因为在大多数情况下，材料通过原子结构的协调重排从一种晶体相转变为另一种晶体相。但是构成钻石的碳键非常坚固，我们必须将钻石熔化，才能将其转化为新的BC8晶体相。因此，这一过程又增加了一层压力和温度，甚至更极端，是地球大气压力的1200万倍，5000 K，接近太阳表面的温度。”

研究表明，这样的条件可以通过一系列冲击波来创造，并为研究小组提供了恰好合适的冲击波水平，以达到形成BC8所需的温度和压力读数。

现在，该团队正开始通过在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设备上合成BC8来验证这一知识。这是一个体育场大小的核聚变设备，使用192个强大的激光来产生超过1.8亿华氏度的温度和超过1000亿个地球大气压的压力。

奥利尼克总结道：“多亏了Frontier，我们才有了成功的机会。这仍然是一个没有保证的极端挑战，但我们对这些结果充满信心。”