Суперкомпьютер помог исследовать структуру жидкого углерода

Углерод известен богатым набором аллотропных модификаций: от знакомых всем графита и алмаза до модных в наши дни нанотрубок, фуллеренов и многочисленных производных графена. Всем этим твердым модификациям углерода посвящены тысячи научных статей и целые монографии, а вот о свойствах его жидкой фазы известно удивительно мало. Несмотря на существенную практическую значимость, до сих пор нет достоверных экспериментальных данных о линии плавления графита или параметрах тройной точки «пар — жидкость — графит». Это вызвано рядом технических сложностей, связанных в первую очередь с трудностями стабилизации жидкого углерода. Кроме того, температура его образования настолько высока, что даже нет достаточно жаропрочного материала.

С развитием технологий знания о поведении углерода в области экстремальных температур становятся все более востребованы: фазовые переходы «твердое тело — жидкость» могут возникать в ходе синтеза углеродных наночастиц или встречаться при интенсивной лазерной абляции углеродных материалов. Перспективные методы восстановления графена из его оксида также требуют нагрева до температур порядка 3500–4000 K. Если нельзя провести эксперимент в жизни, то можно провести его на компьютере. Так, группа ученых из Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института провела атомистическое моделирование жидкой фазы углерода.

«Этот подход позволяет численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом объеме вещества. С вычислительной точки зрения такие методы являются крайне ресурсоемкими и требуют использования высокопроизводительных машин, способных для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи отдельных процессоров, — так называемых суперкомпьютеров», — рассказывает Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

Моделирование жидкого и аморфного углерода — чрезвычайно сложная задача, и существовавшие до недавнего времени методы эмпирической молекулярной динамики справлялись с ней сравнительно плохо. Однако алгоритмы машинного обучения, уже плотно проникшие практически во все сферы научной деятельности, помогли совершить важный прорыв и в этой области. В последние годы начали появляться модели машинно-обучаемых межатомных потенциалов, точность которых вплотную приближается к возможностям квантово-химических методов. 

«В нашей работе мы применили методы классической молекулярной динамики с машинно-обучаемым потенциалом и исследовали поведение жидкого углерода при Т=5000–7000К — в области экстремальных температур, практически недоступной для анализа экспериментальными методами. Расчеты показали, что в определенном диапазоне давлений жидкий углерод существенно меняет свою структуру и становится похожим на смесь линейных sp-гибридизованных цепочек толщиной в один атом. Это крайне неожиданное поведение для ковалентной жидкости. Такие цепочки экспериментально наблюдались при комнатной температуре, но их удавалось стабилизировать только в очень специфических условиях, например внутри углеродных нанотрубок. А полвека назад было предположено, что sp-гибридизованные цепочки могут образовать еще одну гипотетическую фазу твердого углерода — так называемый карбин. И, хотя синтез карбина так и не был осуществлен на практике, наши расчеты показывают, что при определенных условиях его структурные мотивы можно наблюдать в жидкой фазе углерода», — объясняет Михаил Логунов, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

Полученные данные о жидкой фазе углерода могут быть важны как с практической точки зрения, например для поиска новых методов высокотемпературного синтеза углеродных наночастиц, так и с более фундаментальной: углерод при экстремальных температурах — нередкий гость в задачах астрофизики.