VIDEO: Superračunalo otkriva recept za superdijamant

Dijamant je najjači i najtvrđi poznati materijal na Zemlji, no znanstvenici predviđaju da bi se na agzoplanetima u svemiru mogli naći oblici ugljika koji će biti još čvršći.

Kubični kristal s tjelesnim središtem od osam atoma BC8 je posebna ugljikova faza i predviđa se da je jači materijal i ima 30% veću otpornost na kompresiju od dijamanta. Vjeruje se da se nalazi u središtu egzoplaneta većih od Zemlje bogatih ugljikom. Ako bi se BC8 mogao obnoviti u uvjetima okoline, mogao bi se klasificirati kao superdijamant.

U novoj studiji Nacionalnog laboratorija Oak Ridge Ministarstva energetike SAD-a, znanstvenici su koristili Frontier, superračunalni sustav HPE Cray EX, kako bi se predvidjela najvjerojatnija strategija za sintezu takvog materijala, za koji se smatra da postoji samo u unutrašnjosti divovskih egzoplaneta ili planeta izvan našeg Sunčevog sustava. Frontierove egzaskalne brzine od više od 1 kvintilijuna izračuna u sekundi prvi su put dovele cilj nadohvat ruke. 

"To je najveći izazov fizike visokog tlaka", rekao je Ivan Oleynik, glavni autor studije i profesor fizike na Sveučilištu Južne Floride. "To je naša verzija kamena mudraca za koji su srednjovjekovni alkemičari vjerovali da će pretvoriti olovo u zlato, no alkemičari nisu imali Frontier."

Dijamanti nastaju kada ekstremna toplina i pritisak spajaju atome ugljika i stvaraju najtvrđi materijal na ovom planetu. Drago kamenje ne samo da ukrašava fini nakit, već služi i u najzahtjevnijim industrijskim poslovima diljem svijeta.

Rudarske ekipe buše kamenu podlogu svrdlima s dijamantnim vrhom. Graveri koriste dijamantne noževe i pile za izradu rezova u kvarcu i granitu.

Znanstvenici su teoretizirali da na drugim planetima postoji još tvrđa tvar, superdijamant poznat kao BC8, sastavljen od osam ugljikovih atoma. Ekstremni pritisci i temperature u jezgri egzoplaneta dvostruko većeg od Zemlje mogli bi stvoriti potrebne uvjete za proizvodnju takvih materijala. 

Sintetiziranje BC8 u laboratorijskim uvjetima moglo bi otvoriti nove vidike industrijskih mogućnosti, zahvaljujući materijalu tvrđem od najtvrđe stvari u prirodi, a recept za njegovu izradu sada razvija superračunalo Frontier, kao što možete vidjeti u ovom videu.

"Ovo nisu laki uvjeti za proizvodnju čak ni jednom, a kamoli stotine ili tisuće puta da se utvrdi koji bi pristup mogao funkcionirati", rekao je Oleynik. "Znali smo što bi moglo biti potrebno za sintetiziranje ove tvari i trebao nam je vrlo precizan način za simulaciju ovih složenih interakcija između ugljikovih atoma u uzorku od milijardu atoma pod različitim uvjetima. Nijedan od tradicionalnih klasičnih međuatomskih ili kvantnih modela ne bi mogao ponuditi takvu vrstu detalja u razmjeru."

Kako bi postigao tu razinu točnosti, tim je uvježbao novi međuatomski model strojnog učenja korištenjem opsežne predmemorije kvantno mehaničkih podataka o različitim stanjima ugljika, uključujući BC8.

"U osnovi smo uzeli otiske svakog atomskog okruženja oko svakog atoma u sustavu od milijardu atoma koji bi mogli nastati tijekom evolucije sustava pri ekstremnim pritiscima i temperaturama", rekao je Oleynik.

Samo superračunalni sustav egzarazmjera kao što je Frontier mogao bi isporučiti računsku snagu potrebnu za postizanje kvantne točnosti uz učinkovitu simulaciju milijarde atoma korištenjem modela strojnog učenja. Oleynik i njegov tim okrenuli su se Oak Ridge Leadership Computing Facilityu, korisničkom objektu DOE Office of Science i domu Frontier superračunala na ORNL-u.

"Bez Frontiera, ovo bi bilo nemoguće", rekao je Oleynik. "Za ovu smo studiju morali simulirati više od milijardu atoma dok smo izvodili do milijun vremenskih koraka u simulacijama molekularne dinamike. Imali smo pristup drugim superračunalima, ali niti jedno od njih nije imalo dovoljno računalne snage za rukovanje tolikim brojem atoma."

Tradicionalne arhitekture superračunala temeljene na CPU-ima zaglavile su pri pokušaju pokretanja softverskog modula Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, ili LAMMPS-a, koda koji su koristili Oleynik i njegov tim na tako velikim simulacijama. Frontier i njegova hibridna arhitektura, izgrađena na mješavini CPU-a i GPU-a, ponudili su 50 puta veću brzinu u odnosu na najbrže konkurente temeljene na CPU-u.

Istraživački tim koristio je LAMMPS na Frontieru za generiranje niza potencijalnih scenarija i simulaciju uvjeta koji bi mogli dovesti do formiranja BC8. Ti su uvjeti uključivali tlakove od 0 do 20 megabara, 20 milijuna puta više od atmosferskog tlaka na Zemlji na razini mora i temperature od 0 do 10.000 K, gotovo dvostruko toplije od površine Sunca.

Računalna snaga Frontiera omogućila je istraživačima da pokrenu LAMMPS kod u jednom danu, korištenjem 8000 od više od 9400 Frontierovih čvorova.

Studija je uhvatila vremenski označene, atomski razlučene snimke dinamike milijarde atoma za svaku polovicu femtosekunde, oko kvadrilijunti dio sekunde za svaku scenarij.

"Frontier nam je omogućio da postignemo gotovo kvantnu točnost, rekao je Oleynik. "Koristeći ovu neviđenu računalnu snagu Frontiera, otkrili smo da su prethodni eksperimenti bili usmjereni na pogrešno mjesto."

Frontier je istraživačkom timu omogućio predviđanje transformacije dijamanta u BC8 i promatranje atomskog mehanizma te transformacije u velikim razmjerima. Simulacije su pokazale da se dijamant prvo topi, zatim se BC8 formira iz vruće, guste ugljične tekućine.

"To je novo otkriće u tom smislu jer se u većini slučajeva materijali transformiraju iz jedne kristalne faze u drugu usklađenim preuređivanjem atomske strukture", rekao je Oleynik. "Ali ugljikove veze koje čine dijamant toliko su jake da moramo rastopiti dijamant kako bismo ga transformirali u novu kristalnu fazu BC8. Dakle, to dodaje još jedan sloj ovom procesu s još ekstremnijim pritiscima i temperaturama, odnosno 12 milijuna puta većim od tlaka Zemljine atmosfere i 5000 K, što je blizu temperature sunčeve površine. Kako povezati sva ta materijalna stanja u tako ekstremnim uvjetima, a ipak postići željeni rezultat?"

Oleynik i njegov tim otkrili su da, iako jak kompresijski val, poznat kao udarni val, može generirati visoke tlakove i temperature, ti uvjeti obično nisu idealni za sintezu BC8.

"Otkrili smo da ovo ne možete učiniti s jednim šokom", rekao je. "Stoga smo koristili simulacije kako bismo dizajnirali slijed šokova koji dijamant dovode točno na temperature i tlakove potrebne za sintezu BC8."

Tim je počeo testirati svoja otkrića pokušavajući sintetizirati BC8 u National Ignition Facility Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore .

"Zahvaljujući Frontieru, imamo dobre šanse za uspjeh", rekao je Oleynik. "To je još uvijek ekstreman izazov bez jamstava, ali imamo veliko povjerenje u ove rezultate."

Studiju objavljenu u časopisu The Journal of Physical Chemistry Letters možete pronaći ovdje.