Elmaslar sadece göz alıcı mücevherler yapmakla kalmaz, aynı zamanda dünya çapında çeşitli uygulamalarda kullanılırlar. Dünyanın en sert maddesi olarak — ve benzersiz yapıları sayesinde — gelişmiş jeotermal kuyuların sondajından nükleer pillerde yarı iletken olarak kullanılmasına kadar her şeyde rol oynarlar.
Peki, insanlığın bildiği en güçlü maddeden bile daha güçlü bir madde yaratabilseydik ne gibi olasılıkların ortaya çıkabileceğini hayal edin.
Aslında bilim insanlarının yıllardır hayal ettiği şey de bu. Elmasta bulunan her dört karbon atomuna karşılık sekiz karbon atomu içeren bir maddenin, muhtemelen Dünya'dan en az iki kat daha büyük gezegenlerin çekirdeklerinde bulunan aşırı ısı ve basınç altında var olabileceğini öngörmüşlerdir.
BC8 (sekiz atomlu gövde merkezli kübik) olarak bilinen bu "süper elması" laboratuarda oluşturmak mümkün olabilir, ancak kopyalanması gereken koşullar en hafif tabirle zordur. Bir çoğaltıcının Dünya atmosferinin 10 milyon katı basınca ve güneş yüzeyine yaklaşan sıcaklıklara ulaşması gerekir, bu nedenle BC8'in üretimini denemek için birden fazla fiziksel deney yapmak biraz pratik değildir.
Dünyanın en hızlı süper bilgisayarı devreye giriyor: Enerji Bakanlığı'nın Oak Ridge Laboratuarı'ndaki Frontier. BC8'i oluşturmak için tam olarak ne gerektiğini belirlemek için milyonlarca koşul kümesi üzerinde milyonlarca atomik modelleme durumunu çalıştırma gücüne sahiptir. Çalışmanın başyazarı ve Güney Florida Üniversitesi'nde fizik profesörü olan Ivan Oleynik liderliğindeki bir araştırma ekibi, BC8 kodunu kırmalarına yardımcı olup olamayacağını görmek için Frontier'e erişim izni aldı – ve işe yaradı.
Felsefe Taşı
Oleynik, "Bu, yüksek basınç fiziğinin nihai meydan okumasıdır" dedi. "Ortaçağ simyacılarının buldukları takdirde kurşunu altına dönüştüreceğine inandıkları felsefe taşının bizim versiyonumuz. Simyacıların elinde Frontier yoktu."
Profesör ve ekibi, Büyük Ölçekli Atomik/Moleküler Devasa Paralel Simülatör yazılım modülü anlamına gelen LAMMPS olarak bilinen bir yazılım modülünü gerekli hesaplamaları yapacak şekilde eğitmek için Frontier'i şaşırtıcı miktarda veri ile besledi. Oleynik, diğer bilgisayarların programı çalıştırmak için çok fazla tıkandığını söyledi.
Oleynik, "Temel olarak, bir milyar atomluk bir sistemdeki her atomun etrafındaki, sistemin aşırı basınç ve sıcaklıklardaki evrimi sırasında ortaya çıkabilecek her atomik ortamın parmak izini aldık" dedi. "Frontier olmasaydı bu imkansız olurdu."
"Bu çalışma için, moleküler dinamik simülasyonlarında bir milyona kadar zaman adımı gerçekleştirirken bir milyardan fazla atomu simüle etmemiz gerekiyordu" diye ekledi. "Diğer süper bilgisayarlara erişimimiz vardı, ancak hiçbiri bu kadar çok atomu işlemek için yeterli hesaplama gücüne sahip değildi."
'Şok Edici' Keşif
Ekip, Frontier'in 9.400'den fazla düğümünden 8.000'ini kullanarak LAMMPS'i yaklaşık 24 saat çalıştırdıktan sonra, karbonu BC8'e dönüştürmek için gerekli olan benzersiz ve biraz şaşırtıcı bir adımı gösteren bir yanıt aldı. Karbon sıvısının kendisini BC8'in süper güçlü yapısına göre yeniden düzenleyebilmesi için önce geleneksel elmasların erimesi gerektiğini buldular.
Oleynik, "Bu anlamda yeni bir keşif çünkü çoğu durumda malzemeler bir atomik yapının uyumlu bir şekilde yeniden düzenlenmesiyle bir kristal fazdan diğerine dönüşür" dedi. "Ancak bir elması oluşturan karbon bağları o kadar güçlü ki, elması yeni bir BC8 kristal fazına dönüştürmek için eritmemiz gerekiyor. Bu da bu sürece daha da aşırı basınçlar ve sıcaklıklar içeren başka bir katman ekliyor — Dünya atmosferinin basıncının 12 milyon katı ve güneş yüzeyinin sıcaklığına yakın olan 5.000 K."
Araştırma, bu tür koşulların bir dizi şok dalgası yoluyla yaratılabileceğini ortaya koydu ve ekibe BC8'i oluşturmak için gerekli sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşmak için bu tür dalgaların tam olarak doğru seviyesini sağladı.
Şimdi ekip, 180 milyon Fahrenheit dereceyi aşan sıcaklıklar ve 100 milyar Dünya atmosferinden fazla basınç yaratmak için 192 güçlü lazer kullanan stadyum büyüklüğünde bir nükleer füzyon tesisi olan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı Ulusal Ateşleme Tesisi'nde BC8'i sentezlemeye çalışarak bu bilgiyi test etmeye başlıyor.
"Oleynik sözlerini şöyle tamamladı: "Frontier sayesinde başarı şansımız yüksek. "Bu hala hiçbir garantisi olmayan zorlu bir görev, ancak bu sonuçlara büyük güven duyuyoruz."
Aşağıdaki video bulgular hakkında daha fazla bilgi vermektedir.
Araştırma bağlantısı: The Journal of Physical Chemistry Letters.