Siêu máy tính nhanh nhất thế giới tìm ra công thức chế tạo 'siêu kim cương': Cần đạt tới áp suất gấp 10 triệu lần áp suất khí quyển Trái Đất

Siêu máy tính Frontier nhanh nhất thế giới đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Mỹ, đã đóng vai trò then chốt trong việc giải mã sự hình thành của BC8 – một loại siêu kim cương cứng hơn bất kỳ vật liệu nào mà con người từng biết.

Theo thông tin từ New Atlas vào ngày 30/7, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ivan Oleynik tại Đại học Nam Florida đã tận dụng Frontier để khám phá cách sản xuất BC8 ngay tại Trái Đất, khi loại kim cương này được cho là chỉ tồn tại trong lõi của các ngoại hành tinh khổng lồ. Nghiên cứu này mới được công bố trên tạp chí The Journal of Physical Chemistry Letters.

Kim cương, vốn được biết đến như chất liệu cứng nhất Trái Đất, đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến công nghệ cao. Siêu kim cương BC8, với độ cứng còn vượt xa kim cương thông thường, hứa hẹn sẽ mang lại một cuộc cách mạng trong công nghiệp.

Việc chế tạo siêu kim cương BC8 trong phòng thí nghiệm là khả thi, nhưng đòi hỏi phải mô phỏng những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt. Cụ thể, hệ thống mô phỏng phải đạt được áp suất cao gấp 10 triệu lần áp suất khí quyển Trái Đất và nhiệt độ gần bằng nhiệt độ bề mặt Mặt Trời. Chính vì vậy, việc thực hiện hàng loạt thí nghiệm vật lý để sản xuất BC8 là một thách thức lớn và khó thực hiện trong thực tế.

Để tạo ra siêu kim cương BC8, các nhà khoa học cần mô phỏng hành vi của hàng tỷ nguyên tử trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt. Siêu máy tính Frontier đã chứng minh được khả năng vượt trội của mình khi có thể thực hiện hàng triệu mô phỏng phức tạp này. Theo nhà nghiên cứu Oleynik, không một siêu máy tính nào khác có thể xử lý khối lượng tính toán khổng lồ như vậy, cho phép các nhà khoa học tiến gần hơn đến mục tiêu tạo ra BC8.

Sau khi chạy module phần mềm LAMMPS trong khoảng 24 giờ trên 8.000 trong số hơn 9.400 node của siêu máy tính Frontier (mỗi node là một máy tính hoặc server đơn lẻ), nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một bước đột phá và bất ngờ để biến carbon thành BC8: Cần phải làm tan chảy kim cương truyền thống trước khi dung dịch carbon có thể tự sắp xếp lại thành cấu trúc BC8 siêu bền chắc.

"Liên kết carbon trong kim cương rất mạnh mẽ, chúng ta cần phải làm tan chảy kim cương để biến nó thành pha tinh thể BC8 mới. Điều này đòi hỏi điều kiện áp suất và nhiệt độ thậm chí còn khắc nghiệt hơn - gấp 12 triệu lần áp suất khí quyển Trái Đất và mức nhiệt khoảng 4.700 độ C, gần bằng nhiệt độ bề mặt Mặt Trời", Oleynik cho biết. Những điều kiện như vậy có thể được tạo ra thông qua một loạt sóng xung kích.

Nhóm nghiên cứu hiện đang bắt đầu kiểm tra các thông tin mới thu được bằng cách thử tổng hợp BC8 tại cơ sở NIF thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore. Cơ sở này có kích thước lớn tương đương một sân vận động và sử dụng 192 chùm laser mạnh để tạo ra mức nhiệt vượt 100 triệu độ C và áp suất trên 100 tỷ atm.

"Nhờ có Frontier, chúng tôi có cơ hội thành công cao hơn. Dù đây vẫn là một thách thức vô cùng lớn và không có gì đảm bảo, chúng tôi rất tự tin vào kết quả", Oleynik chia sẻ.

>> Thực hư siêu lục địa tan rã khiến kim cương đặc biệt quý trồi lên