近日，世界上*快的超級(jí)計(jì)算機(jī)幫助研究人員模擬合成了一種比鉆石或地球上任何其他物質(zhì)更堅(jiān)硬、更堅(jiān)韌的材料。目前這種材料被認(rèn)為只存在于巨型系外行星或太陽(yáng)系外行星的內(nèi)部。
該研究使用了美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的HPE Cray EX超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)Frontier來(lái)預(yù)測(cè)合成這種材料的*可能策略，這種系統(tǒng)每秒可進(jìn)行超過(guò)1千萬(wàn)億次計(jì)算的百億億次級(jí)計(jì)算速度，*使這一目標(biāo)觸手可及。“這是高壓物理學(xué)的*挑戰(zhàn)，”南佛羅里達(dá)大學(xué)物理學(xué)教授Ivan Oleynik說(shuō)。
鉆石是碳原子在高溫高壓下聚集在一起形成的，不僅可以裝飾精美的珠寶，還可以服務(wù)于全球*苛刻的工業(yè)工作。
如今，科學(xué)家推測(cè)其他行星上可能存在一種更堅(jiān)硬的物質(zhì)——一種名為BC8的超級(jí)鉆石，由八個(gè)碳原子組成，而鉆石中碳原子的數(shù)量為四個(gè)。據(jù)科研人員研究表明，一顆比地球大兩倍或更大的系外行星核心的極端壓力和溫度可能會(huì)創(chuàng)造產(chǎn)生此類材料的必要條件。
在實(shí)驗(yàn)室條件下合成BC8可能為工業(yè)應(yīng)用開(kāi)辟新的前景——只需要地球大氣壓力的1000萬(wàn)倍和與太陽(yáng)表面相同的溫度。
“這些條件甚至都不容易實(shí)現(xiàn)，更不用說(shuō)數(shù)百次或數(shù)千次來(lái)確定哪種方法可能有效，”O(jiān)leynik說(shuō)。“我們知道要預(yù)測(cè)合成這種物質(zhì)可能需要什么，我們需要一種高精度的方法來(lái)模擬在各種條件下十億原子樣本中碳原子之間的復(fù)雜相互作用。傳統(tǒng)的經(jīng)典原子間或量子模型都無(wú)法提供這種規(guī)模的細(xì)節(jié)�！�
為了達(dá)到這種精度水平，該團(tuán)隊(duì)利用包括BC8在內(nèi)的各種碳狀態(tài)的大量量子力學(xué)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練了一種新穎的機(jī)器學(xué)習(xí)原子間模型。
該團(tuán)隊(duì)的研究人員基本上對(duì)十億原子系統(tǒng)中每個(gè)原子周?chē)拿總�(gè)原子環(huán)境進(jìn)行了指紋識(shí)別，這些原子環(huán)境可能是系統(tǒng)在極端壓力和溫度下演變過(guò)程中產(chǎn)生的。
基于 CPU 的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算架構(gòu)在嘗試運(yùn)行大規(guī)模原子/分子大規(guī)模并行模擬器軟件模塊（LAMMPS）時(shí)會(huì)陷入困境，Oleynik 及其團(tuán)隊(duì)在如此大規(guī)模的模擬中使用了該模塊的代碼。Frontier 及其基于 CPU 和 GPU 混合構(gòu)建的混合架構(gòu)比*快的基于 CPU 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的速度提高了 50 倍。
研究團(tuán)隊(duì)利用 Frontier 上的 LAMMPS 生成了一系列潛在情景，并模擬了可能合成 BC8 的條件。這些條件包括 0 至 20 兆巴的壓力（相當(dāng)于地球海平面大氣壓的 2000 萬(wàn)倍）和 0 至 10,000 K 的溫度（幾乎是太陽(yáng)表面溫度的兩倍）。
該研究捕捉了每種場(chǎng)景中每半飛秒（約千萬(wàn)億分之一秒）十億原子動(dòng)態(tài)的帶時(shí)間戳、原子分辨率快照。
“Frontier 讓我們?cè)谝淮畏欠驳呐χ袑?shí)現(xiàn)了近乎量子的精度，”O(jiān)leynik 說(shuō)�！袄� Frontier 這種*的計(jì)算能力，我們發(fā)現(xiàn)之前的實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在了錯(cuò)誤的地方�！�
Frontier 讓研究團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測(cè)鉆石轉(zhuǎn)變?yōu)?BC8 的過(guò)程，并大規(guī)模觀察這種轉(zhuǎn)變的原子機(jī)制。模擬顯示，鉆石首先熔化；然后 BC8 從熾熱、致密的碳液中形成。
“從這個(gè)意義上說(shuō)，這是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，材料通過(guò)協(xié)調(diào)原子結(jié)構(gòu)的重新排列從一種晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶相，”O(jiān)leynik說(shuō)。“但構(gòu)成鉆石的碳鍵非常堅(jiān)固，我們必須熔化鉆石才能將其轉(zhuǎn)化為新的 BC8 晶相。因此，這為這個(gè)過(guò)程增加了另一層，壓力和溫度更加極端——地球大氣壓力的 1200 萬(wàn)倍和 5,000 K，接近太陽(yáng)表面的溫度。我們?nèi)绾卧谌绱藰O端的條件下連接所有這些物質(zhì)狀態(tài)并達(dá)到預(yù)期的結(jié)果？”
Oleynik 和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管強(qiáng)烈的壓縮波（即沖擊波）可能會(huì)產(chǎn)生高壓和高溫，但這些條件對(duì)于 BC8 的合成來(lái)說(shuō)往往不太理想�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)單次沖擊無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，”他說(shuō)�！八晕覀兝媚M設(shè)計(jì)了一系列沖擊，讓鉆石*達(dá)到合成 BC8 所需的溫度和壓力�！�
目前，該團(tuán)隊(duì)已開(kāi)始嘗試在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置合成 BC8，以測(cè)試他們的發(fā)現(xiàn)。
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