Le cristal cubique centré sur le corps (BC8) à huit atomes est une phase de carbone distincte :pas de diamant, mais très similaire. Le BC8 devrait être un matériau plus résistant, présentant une résistance à la compression 30 % supérieure à celle du diamant. On pense qu’il se trouve au centre d’exoplanètes riches en carbone. Si BC8 pouvait être récupéré dans des conditions ambiantes, il pourrait être classé comme super-diamant.

Cette phase cristalline du carbone à haute pression devrait théoriquement être la phase la plus stable du carbone sous des pressions supérieures à 10 millions d'atmosphères.

"La phase BC8 du carbone dans des conditions ambiantes serait un nouveau matériau extrêmement dur, probablement plus résistant que le diamant", a déclaré Ivan Oleynik, professeur de physique à l'Université de Floride du Sud (USF) et auteur principal d'un article récemment publié. dans Le Journal des lettres de chimie physique .

"Malgré de nombreux efforts pour synthétiser cette phase cristalline de carbone insaisissable, y compris les précédentes campagnes du National Ignition Facility (NIF), elle n'a pas encore été observée", a déclaré Marius Millot, scientifique du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), qui a également participé à la recherche. "Mais nous pensons qu'il pourrait exister dans des exoplanètes riches en carbone."

Des observations astrophysiques récentes suggèrent la présence plausible d'exoplanètes riches en carbone. Ces corps célestes, caractérisés par une masse considérable, subissent des pressions gigantesques atteignant des millions d'atmosphères dans leurs entrailles profondes.

"Par conséquent, les conditions extrêmes qui prévalent au sein de ces exoplanètes riches en carbone pourraient donner naissance à des formes structurelles de carbone telles que le diamant et le BC8", a déclaré Oleynik. "Par conséquent, une compréhension approfondie des propriétés de la phase carbonée BC8 devient essentielle pour le développement de modèles intérieurs précis de ces exoplanètes."

BC8 est une phase à haute pression de silicium et de germanium qui peut être récupérée dans des conditions ambiantes, et la théorie suggère que le carbone BC8 devrait également être stable dans des conditions ambiantes.

Le scientifique et co-auteur du LLNL, Jon Eggert, a déclaré que la raison la plus importante pour laquelle le diamant est si dur est que la forme tétraédrique des quatre atomes les plus proches voisins dans la structure du diamant correspond parfaitement à la configuration optimale des quatre électrons de valence dans les éléments de la colonne 14. dans le tableau périodique (en commençant par le carbone, suivi du silicium et du germanium).

"La structure BC8 conserve cette forme tétraédrique parfaite du plus proche voisin, mais sans les plans de clivage trouvés dans la structure du diamant", a déclaré Eggert, d'accord avec Oleynik sur le fait que "la phase BC8 du carbone dans des conditions ambiantes serait probablement beaucoup plus résistante que le diamant".

Grâce à plusieurs millions de simulations de dynamique moléculaire atomique sur Frontier, le superordinateur exascale le plus rapide au monde, l'équipe a découvert l'extrême métastabilité du diamant à de très hautes pressions, dépassant considérablement sa plage de stabilité thermodynamique.

La clé du succès a été le développement d'un potentiel interatomique d'apprentissage automatique très précis qui décrit les interactions entre des atomes individuels avec une précision quantique sans précédent dans une large gamme de conditions de haute pression et de température.

"En mettant en œuvre efficacement ce potentiel sur Frontier basé sur GPU (unité de traitement graphique), nous pouvons désormais simuler avec précision l'évolution temporelle de milliards d'atomes de carbone dans des conditions extrêmes à des échelles de temps et de longueur expérimentales", a déclaré Oleynik. "Nous avions prédit que la phase BC8 post-diamant ne serait accessible expérimentalement que dans une région étroite, à haute pression et à haute température du diagramme de phases du carbone."

La signification est double. Premièrement, il élucide les raisons de l’incapacité des expériences précédentes à synthétiser et à observer la phase insaisissable BC8 du carbone. Cette limitation vient du fait que le BC8 ne peut être synthétisé que dans une plage très étroite de pressions et de températures.

De plus, l’étude prédit des voies de compression viables pour accéder à ce domaine hautement restreint où la synthèse de BC8 devient réalisable. Oleynik, Eggert, Millot et d'autres collaborent actuellement pour explorer ces voies théoriques en utilisant les allocations de prises de vue Discovery Science sur NIF.

L'équipe rêve de cultiver un jour un super-diamant BC8 en laboratoire si seulement elle pouvait synthétiser la phase, puis récupérer un germe cristallin BC8 dans les conditions ambiantes.