Bratislava 2. júla (TASR) - Medzinárodný tím vedcov, vrátane profesora Romana Martoňáka z Katedry experimentálnej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského (FMFI UK) v Bratislave, priniesol nové zistenia o premene diamantu na doposiaľ nedosiahnuteľnú fázu zvanú BC8. Využili na to najmodernejšie metódy počítačových simulácií využívajúcich aj strojové učenie. TASR o tom informovala hovorkyňa UK Eva Kopecká.

Hoci diamant a grafit (tuha) vyzerajú úplne odlišne, oba materiály sú tvorené rovnakým prvkom - uhlíkom. Rozdiel je len v usporiadaní ich atómov. Kým grafit je stabilný pri bežnom atmosférickom tlaku, diamant vzniká pri vysokom tlaku v hlbinách Zeme. Už od roku 1956 dokáže ľudstvo tento proces napodobniť a vyrábať umelé diamanty. Vedcov však už desaťročia zaujíma odpoveď na otázku, čo nasleduje na tlakovej stupnici za diamantom. Teoretické predpovede už od roku 1984 naznačujú, že pri extrémne vysokom tlaku okolo jedného terapascalu, čo zodpovedá zhruba desiatim miliónom atmosférických tlakov a predstavuje zhruba trojnásobok tlaku v strede Zeme, by sa mali atómy diamantu usporiadať do novej kryštálovej štruktúry označovanej ako fáza BC8. Nová forma uhlíka by mala byť o tri percentá hustejšia než samotný diamant.

Dosiahnuť takýto obrovský tlak v laboratórnych podmienkach na Zemi je však náročné. Súčasné experimenty využívajúce dynamickú kompresiu dokážu takýto tlak vyvinúť len na nepredstaviteľne krátky čas, približne desať nanosekúnd. Diamant je navyše natoľko pevný a nepoddajný, že predchádzajúce pokusy o jeho premenu zlyhali, štruktúra sa stlačila, no nezmenila. Fázu BC8 sa tak v laboratóriu doposiaľ nepodarilo experimentálne pozorovať.

Preto prichádzajú pokročilé počítačové simulácie. Tie donedávna narážali na limity v dôsledku vysokých výpočtových nárokov kvantovo-mechanických výpočtov, najmä pre väčšie systémy. „V súčasnosti zažívame revolúciu v počítačových simuláciách vďaka aplikácii metód strojového učenia,“ vysvetlil Martoňák. Model sa dokáže na základe obrovského množstva dát „naučiť“ fyzikálne správanie a s vysokou presnosťou a rýchlosťou simulovať pohyb tisícov až miliónov atómov namiesto pôvodných desiatok až stoviek. „Tento pokrok dovoľuje podstatným spôsobom posunúť hranice toho, čo vieme simulovať,“ dodal profesor z FMFI UK.

Vedec v spolupráci s inými výskumníkmi z USA použil pokročilý model strojového učenia a metódy molekulovej dynamiky a metadynamiky na simuláciu štruktúrnej transformácie dvoch rôznych foriem diamantov. Popri klasickom kubickom diamante prvýkrát nasimulovali aj premenu vzácnejšieho, tzv. hexagonálneho diamantu. Ukázalo sa, že pri oboch formách dochádza najskôr ku vzniku mikroskopickej kvapky, ktorá predstavuje podchladenú kvapalinu, a z tejto následne bleskovo vykryštalizuje očakávaná fáza BC8. Premena z hexagonálneho diamantu prebieha omnoho rýchlejšie. „Keďže čas hrá pri metóde dynamickej kompresie podstatnú úlohu, pretože vysoký tlak trvá len krátko, použitie hexagonálneho diamantu ako východiskového materiálu môže predstavovať lepšiu voľbu,“ vysvetlil Martoňák.

Tím nasimuloval aj spätný proces - dekompresiu. Zistili, že exotická fáza BC8 by po svojom vzniku mohla prežiť aj návrat do normálnych podmienok pri izbovej teplote ako metastabilný materiál.