Il cristallo cubico a corpo centrato (BC8) a otto atomi è una fase di carbonio distinta:non diamante, ma molto simile. Si prevede che BC8 sia un materiale più forte, mostrando una resistenza alla compressione maggiore del 30% rispetto al diamante. Si ritiene che si trovi al centro di pianeti extrasolari ricchi di carbonio. Se il BC8 potesse essere recuperato in condizioni ambientali, potrebbe essere classificato come un superdiamante.

Si prevede teoricamente che questa fase cristallina del carbonio ad alta pressione sia la fase più stabile del carbonio sotto pressioni superiori a 10 milioni di atmosfere.

"La fase BC8 del carbonio in condizioni ambientali sarebbe un nuovo materiale super duro che sarebbe probabilmente più resistente del diamante", ha affermato Ivan Oleynik, professore di fisica presso l'Università della Florida del Sud (USF) e autore senior di un articolo recentemente pubblicato in The Journal of Physical Chemistry Letters .

"Nonostante i numerosi sforzi per sintetizzare questa sfuggente fase cristallina del carbonio, comprese le precedenti campagne del National Ignition Facility (NIF), deve ancora essere osservata", ha affermato Marius Millot, scienziato del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), anch'egli coinvolto nella ricerca. "Ma crediamo che possa esistere negli esopianeti ricchi di carbonio."

Recenti osservazioni astrofisiche suggeriscono la plausibile presenza di esopianeti ricchi di carbonio. Questi corpi celesti, caratterizzati da una massa considerevole, sperimentano pressioni gigantesche che raggiungono milioni di atmosfere nelle loro profondità interne.

"Di conseguenza, le condizioni estreme prevalenti all'interno di questi esopianeti ricchi di carbonio potrebbero dare origine a forme strutturali di carbonio come il diamante e il BC8", ha affermato Oleynik. "Pertanto, una comprensione approfondita delle proprietà della fase di carbonio BC8 diventa fondamentale per lo sviluppo di modelli interni accurati di questi esopianeti."

BC8 è una fase ad alta pressione sia di silicio che di germanio recuperabile in condizioni ambientali e la teoria suggerisce che anche il carbonio BC8 dovrebbe essere stabile in condizioni ambientali.

Lo scienziato e coautore della LLNL Jon Eggert ha affermato che la ragione più importante per cui il diamante è così duro è che la forma tetraedrica dei quattro atomi vicini più vicini nella struttura del diamante corrisponde perfettamente alla configurazione ottimale dei quattro elettroni di valenza negli elementi della colonna 14. nella tavola periodica (iniziando con il carbonio, seguito da silicio e germanio).

"La struttura BC8 mantiene questa perfetta forma tetraedrica del vicino più vicino, ma senza i piani di clivaggio presenti nella struttura del diamante", ha detto Eggert, concordando con Oleynik che "la fase BC8 del carbonio in condizioni ambientali sarebbe probabilmente molto più dura del diamante."

Attraverso milioni di simulazioni di dinamica molecolare atomica su Frontier, il supercomputer esascala più veloce al mondo, il team ha scoperto l'estrema metastabilità del diamante a pressioni molto elevate, superando significativamente il suo intervallo di stabilità termodinamica.

La chiave del successo è stata lo sviluppo di un potenziale interatomico di apprendimento automatico molto accurato che descrive le interazioni tra i singoli atomi con una precisione quantistica senza precedenti in un'ampia gamma di condizioni di alta pressione e temperatura.

"Implementando in modo efficiente questo potenziale su Frontier basato su GPU (unità di elaborazione grafica), ora possiamo simulare accuratamente l'evoluzione temporale di miliardi di atomi di carbonio in condizioni estreme su scale sperimentali di tempo e lunghezza", ha affermato Oleynik. "Abbiamo previsto che la fase BC8 post-diamante sarebbe stata accessibile sperimentalmente solo all'interno di una regione ristretta, ad alta pressione e alta temperatura del diagramma di fase del carbonio."

Il significato è duplice. Innanzitutto, chiarisce le ragioni dietro l’incapacità dei precedenti esperimenti di sintetizzare e osservare la sfuggente fase BC8 del carbonio. Questa limitazione deriva dal fatto che BC8 può essere sintetizzato solo in un intervallo molto ristretto di pressioni e temperature.

Inoltre, lo studio prevede percorsi di compressione praticabili per accedere a questo dominio altamente ristretto in cui la sintesi di BC8 diventa realizzabile. Oleynik, Eggert, Millot e altri stanno attualmente collaborando per esplorare questi percorsi teorici utilizzando le allocazioni dei colpi di Discovery Science su NIF.

Il team sogna un giorno di far crescere un superdiamante BC8 in laboratorio se solo riuscisse a sintetizzare la fase e poi recuperare un cristallo seme BC8 riportandolo alle condizioni ambientali.