Supercomputer scopre come creare materiale più duro del diamante: il “Super Diamond

Si pensa che all’interno dei pianeti esistano cristalli di carbonio ancora più duri dei diamanti, e sia gli astronomi che i chimici sono ansiosi di replicarli sulla Terra.

Le simulazioni effettuate da un supercomputer mostrano le condizioni in cui si formano i diamanti e i super diamanti BC8, la cui struttura è qui mostrata in contrasto con le strutture esagonali presenti nel grafene.

I diamanti sono famosi per essere le sostanze più dure esistenti, uno status che ha recentemente incontrato alcune sfide. In teoria, una variazione nel modo in cui gli atomi di carbonio sono disposti dovrebbe rendere possibile la creazione di qualcosa di ancora più duro, ma finora nessuno è riuscito a raggiungere le pressioni necessarie per produrre un cosiddetto “super diamante”. Tuttavia, ciò potrebbe cambiare, poiché la modellazione al computer indica le condizioni che potrebbero essere richieste.

La forza dei diamanti deriva dal modo in cui ogni atomo di carbonio è connesso ai suoi quattro vicini più prossimi tramite legami covalenti, creando atomi eccezionalmente compatti. È noto che gli atomi di carbonio puro possono organizzarsi insieme in molti modi, motivo per cui esistono materiali come i buckyballs e il grafene.

Il dibattito continua su se materiali esotici possano superare i diamanti utilizzando il nitruro di boro, ma esiste un modo per unire gli atomi di carbonio insieme che è teoricamente più forte dell’ordinario arrangiamento dei diamanti. Questo è noto come cubico a corpo centrato a otto atomi (BC8) ed è stimato resistere alla compressione del 30 percento meglio dei diamanti ordinari.

Ci sarebbe certamente una domanda industriale per un tale materiale, ma si pensa che sarebbero necessarie pressioni di almeno 10 milioni di atmosfere (un trilione di Pascal) per formare gli atomi in una tale forma. Una volta creati, tuttavia, dovrebbero essere stabili in condizioni più normali. I laboratori sono riusciti a raggiungere le condizioni che alcune stime precedenti prevedevano avrebbero prodotto diamanti BC8, solo per scoprire che queste erano troppo ottimistiche, lasciando gli scienziati a chiedersi fino a che punto dovrebbero arrivare le pressioni.

Se gli esseri umani non sono riusciti a raggiungere tali condizioni estreme per produrre super diamanti, si potrebbe pensare che nemmeno la natura ci sia riuscita. Questo è probabilmente vero sulla Terra, ma si pensa che alcuni esopianeti (pianeti che orbitano attorno ad altre stelle) possano essere molto ricchi di carbonio. Le pressioni al centro di mondi come questi potrebbero facilmente essere sufficienti per i requisiti.

“Le condizioni estreme che prevalgono all’interno di questi esopianeti ricchi di carbonio possono dare origine a forme strutturali di carbonio come il diamante e il BC8”, ha affermato il professor Ivan Oleynik dell’Università del Sud della Florida. “Pertanto, una comprensione approfondita delle proprietà della fase di carbonio BC8 diventa fondamentale per lo sviluppo di modelli interni accurati di questi esopianeti.”

Il BC8 può anche esistere in silicio e germanio, gli elementi immediatamente sotto il carbonio nella tavola periodica, e questi sono stati prodotti. Utilizzando ciò che sappiamo sulla sua produzione in questi elementi, Oleynik e colleghi hanno creato modelli al computer per esplorare ciò che sarebbe necessario per farlo accadere nel carbonio.

I calcoli coinvolti sono immensi, ma utilizzando Frontier, il supercomputer exascale più veloce al mondo, il team pensa di aver identificato ciò che sarebbe necessario per far unire miliardi di atomi nel modo desiderato. “Abbiamo previsto che la fase post-diamante BC8 sarebbe accessibile sperimentalmente solo all’interno di una ristretta regione ad alta pressione e alta temperatura del diagramma di fase del carbonio”, ha detto Oleynik.

In particolare, sarebbero necessarie pressioni di 1.050.000.000.000 Pascal a una temperatura precisa, probabilmente intorno ai 6.000 K. Pressioni ancora più elevate allargherebbero la gamma di temperature potenziali, ma non di molto. Per arrivarci, il programma prevede che i diamanti ordinari si scioglierebbero in un liquido di carbonio metastabile super-raffreddato, dal quale si formerebbero i BC8. Come le particelle di ghiaccio nell’acqua super-raffreddata, i cristalli BC8 avrebbero grandi difficoltà a iniziare, ma una volta formati, crescerebbero rapidamente per nucleazione.

Se ci sia o meno un equipaggiamento sulla Terra in grado di rendere possibile tutto ciò rimane da vedere.

Se ciò fosse possibile, gli autori ritengono che il carbonio BC8 possa fare di più che semplicemente superare la resistenza dei diamanti alla pressione. “La struttura BC8 mantiene questa forma tetraedrica perfetta del vicino più prossimo, ma senza i piani di clivaggio presenti nella struttura del diamante”, ha detto il co-autore Dr Jon Eggert del Lawrence Livermore National Laboratory. Nonostante gli immensi costi di realizzazione di qualcosa del genere, quella robustezza potrebbe rivelarsi inestimabile, oltre a offrire lezioni sul funzionamento interno dei pianeti con tali nuclei.