近日，世界上*快的超級計(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系外行星的內(nèi)部。
該研究使用了美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的HPE Cray EX超級計(jì)算系統(tǒng)Frontier來預(yù)測合成這種材料的*可能策略，這種系統(tǒng)每秒可進(jìn)行超過1千萬億次計(jì)算的百億億次級計(jì)算速度，*使這一目標(biāo)觸手可及�！斑@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。
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的超級鉆石，由八個碳原子組成，而鉆石中碳原子的數(shù)量為四個。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)用開辟新的前景——只需要地球大氣壓力的1000萬倍和與太陽表面相同的溫度。
“這些條件甚至都不容易實(shí)現(xiàn)，更不用說數(shù)百次或數(shù)千次來確定哪種方法可能有效，”O(jiān)leynik說�！拔覀冎酪A(yù)測合成這種物質(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十億原子系統(tǒng)中每個原子周圍的每個原子環(huán)境進(jìn)行了指紋識別，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程中產(chǎn)生的。
基于 CPU 的傳統(tǒng)超級計(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）時會陷入困境，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 的競爭對手的速度提高了 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 萬倍）和 0 至 10,000 K 的溫度（幾乎是太陽表面溫度的兩倍）。
該研究捕捉了每種場景中每半飛秒（約千萬億分之一秒）十億原子動態(tài)的帶時間戳、原子分辨率快照。
“Frontier 讓我們在一次非凡的努力中實(shí)現(xiàn)了近乎量子的精度，”O(jiān)leynik 說。“利用 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)放在了錯誤的地方�！�
Frontier 讓研究團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測鉆石轉(zhuǎn)變?yōu)?BC8 的過程，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。
“從這個意義上說，這是一個新發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，材料通過協(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�！暗珮�(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，這為這個過程增加了另一層，壓力和溫度更加極端——地球大氣壓力的 1200 萬倍和 5,000 K，接近太陽表面的溫度。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）可能會產(chǎn)生高壓和高溫，但這些條件對于 BC8 的合成來說往往不太理想�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)單次沖擊無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，”他說�！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)已開始嘗試在勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置合成 BC8，以測試他們的發(fā)現(xiàn)。
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