世界上速度最快的超级计算机推导出超级BC8钻石配方

钻石不仅是夺人眼球的珠宝，而且在世界各地被广泛应用。作为世界上最坚硬的物质--得益于其独特的构造--它们在钻探先进的地热井以及作为核电池的半导体等各个方面都发挥着作用。

因此，想象一下，如果我们能创造出一种比人类已知的最坚固材料还要坚固的物质，将会带来怎样的可能性。

事实上，这正是科学家们多年来的设想。他们预测，钻石中每四个碳原子就有八个碳原子，这种物质很可能存在于比地球大至少两倍的行星的内核中，在极端的高温和高压下。

在实验室中制造这种被称为 BC8（八原子体心立方体）的"超级钻石"也许是可能的，但至少需要复制的条件是极具挑战性的。复制器需要达到地球大气压的 1000 万倍，温度接近太阳表面温度，因此进行多个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"超级计算机。它拥有在数百万组条件下运行数百万个原子建模情况的能力，可以准确地确定形成 BC8 所需的条件。该研究的第一作者、南佛罗里达大学物理学教授伊万-奥利尼克（Ivan Oleynik）领导的一个研究小组获得了访问"前沿"的许可，看看它是否能帮助他们破解 BC8 的密码--它成功了。

奥利尼克说："这是高压物理学的终极挑战。这是我们版本的哲人之石，中世纪的炼金术士相信只要找到它就能点石成金。炼金术士们可没有"前沿"。

这位教授和他的团队为"前沿"提供了大量数据，以训练一个名为 LAMMPS 的软件模块（LAMMPS 是大规模原子/分子大规模并行模拟器软件模块 的缩写）进行必要的计算。奥利尼克说，其他计算机根本无法运行该程序。

奥利尼克说："我们基本上确定了一个十亿原子系统中每个原子周围的所有原子环境，这些环境可能是该系统在极端压力和温度下演化过程中产生的。没有超算，这是不可能实现的。在这项研究中，我们需要模拟超过十亿个原子，同时在分子动力学模拟中执行多达一百万个时间步骤。我们可以使用其他超级计算机，但它们的计算能力都不足以处理这么多原子。"

在使用 Frontier 9400 多个节点中的 8000 个节点运行 LAMMPS 约 24 小时后，研究小组得到了一个答案，其中显示了将碳转化为 BC8 所需的一个独特且略微令人惊讶的步骤。他们发现，传统的钻石首先需要熔化，然后碳液才能重新排列成 BC8 的超强结构。

"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同重排，从一种结晶相转变为另一种结晶相。但构成钻石的碳键非常坚固，我们必须熔化钻石才能将其转化为新的 BC8 晶相。因此，这又给这一过程增加了一层更极端的压力和温度--1200 万倍于地球大气的压力和 5000 K，接近太阳表面的温度。"

研究发现，这种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到好处的冲击波，以达到形成 BC8 所需的温度和压力读数。

现在，该团队开始尝试在劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的国家点火装置上合成 BC8，以验证他们的知识。该点火装置是一个体育场大小的核聚变设施，使用 192 个强大的激光器产生超过 1.8 亿华氏度的高温和超过 1000 亿个地球大气压的压力。

"多亏了'前沿'，我们才有了成功的机会，"奥列尼克总结道。"这仍然是一个极端的挑战，没有任何保证，但我们对这些结果充满信心"。

以下视频提供了有关调查结果的更多信息。

研究结果已在《物理化学通讯》杂志上发表。