Siêu máy tính nhanh nhất thế giới giúp chế tạo siêu kim cương

Khả năng tính toán thần tốc của siêu máy tính Frontier giúp các chuyên gia tìm ra những điều kiện cần thiết để sản xuất kim cương BC8 siêu cứng.

Frontier, siêu máy tính nhanh nhất thế giới đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Mỹ, giúp giải mã sự hình thành của BC8 - siêu kim cương cứng hơn bất cứ vật liệu nào con người từng biết, New Atlas hôm 30/7 đưa tin.

Siêu máy tính giúp tìm ra phương pháp sản xuất siêu kim cương. (Ảnh: New Atlas).

Nhóm nghiên cứu của giáo sư vật lý Ivan Oleynik tại Đại học Nam Florida sử dụng Frontier để tìm ra cách sản xuất BC8, được cho là chỉ tồn tại trong lõi của các ngoại hành tinh khổng lồ, ngay tại Trái đất. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí The Journal of Physical Chemistry Letters.

Là chất cứng nhất trên Trái đất, kim cương không chỉ dùng làm trang sức bắt mắt mà còn có rất nhiều ứng dụng, từ khoan giếng địa nhiệt đến làm chất bán dẫn trong pin hạt nhân. BC8 hứa hẹn còn hữu ích hơn do cứng chắc hơn kim cương bình thường. Tuy nhiên, giới khoa học suy đoán rằng vật liệu này chỉ tồn tại dưới nhiệt độ và áp suất cực lớn trong lõi của các hành tinh lớn gấp Trái đất ít nhất hai lần.

Việc tạo ra siêu kim cương BC8 có thể thực hiện được trong phòng thí nghiệm, nhưng cần mô phỏng những điều kiện đầy thách thức. Hệ thống mô phỏng sẽ cần đạt tới áp suất gấp 10 triệu lần áp suất khí quyển Trái đất và nhiệt độ gần bằng nhiệt độ bề mặt Mặt trời. Do đó, việc tiến hành nhiều thí nghiệm vật lý để thử nghiệm sản xuất BC8 khá phi thực tế.

Siêu máy tính Frontier có khả năng chạy hàng triệu tình huống mô hình hóa nguyên tử qua hàng triệu nhóm điều kiện để xác định chính xác xem cần những gì để tạo ra BC8. Oleynik cho biết, các máy tính khác quá chậm để chạy chương trình.

"Với nghiên cứu này, chúng tôi cần mô phỏng hơn 1 tỷ nguyên tử trong khi thực hiện tới 1 triệu bước thời gian trong các mô phỏng động lực học phân tử. Chúng tôi đã truy cập một số siêu máy tính khác, nhưng không chiếc nào có đủ khả năng tính toán để xử lý nhiều nguyên tử như vậy", Oleynik nói.

Hàng nghìn chip và ống dẫn nước làm mát bên trong siêu máy tính Frontier. (Ảnh: ORNL)

Sau khi chạy module phần mềm LAMMPS trong khoảng 24 giờ bằng 8.000 trong số hơn 9.400 node của Frontier (node là một máy tính lẻ hoặc một server), nhóm nghiên cứu tìm ra một bước độc đáo và bất ngờ giúp biến carbon thành BC8: Cần làm tan chảy kim cương truyền thống trước khi dung dịch carbon có thể tự sắp xếp lại thành cấu trúc BC8 siêu bền chắc.

"Những liên kết carbon tạo nên kim cương rất mạnh, chúng ta cần làm tan chảy kim cương để biến nó thành pha tinh thể BC8 mới. Điều này bổ sung một yêu cầu nữa vào quá trình với áp suất và nhiệt độ thậm chí còn khắc nghiệt hơn - gấp 12 triệu lần áp suất khí quyển Trái đất và mức nhiệt khoảng 4.700 độ C, gần bằng nhiệt độ bề mặt Mặt trời", Oleynik cho biết. Những điều kiện như vậy có thể được tạo ra thông qua một loạt sóng xung kích.

Nhóm nghiên cứu đang bắt đầu kiểm tra thông tin mới thu được bằng cách thử tổng hợp BC8 tại cơ sở NIF thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, cơ sở tổng hợp hạt nhân lớn tương đương sân vận động, sử dụng 192 chùm laser mạnh để tạo ra mức nhiệt vượt 100 triệu độ C và áp suất trên 100 tỷ atm.

"Nhờ Frontier, chúng tôi có cơ hội thành công cao. Đây vẫn là thách thức vô cùng lớn mà không có gì đảm bảo, nhưng chúng tôi rất tự tin vào kết quả", Oleynik chia sẻ.

• Quy trình biến đổi cấu trúc than chì thành cấu trúc giống kim cương
• Kim cương nhân tạo và một số tiến bộ của ngành công nghiệp kim hoàn
• Triệu phú Anh tuyên bố làm được kim cương từ không khí