Čo je za diamantom ?
Ako diamant končí a niečo iné začína
Diamant a grafit už na pohľad vyzerajú ako veľmi odlišné. Diamant je supertvrdý, priesvitný, lesklý a drahý (lebo je ich málo), grafit je mäkký, čierny a lacný (lebo je ho veľa). Napriek tomu sú oba formami toho istého prvku uhlíka, len majú úplne ináč poukladané a pospájané atómy. Grafit je stabilný pri atmosférickom tlaku a diamant pri vysokom. Od r. 1956 sa vysoký tlak aj používa na premenu grafitu na diamant, čiže výrobu umelých diamantov.
Na tlakovej stupnici je teda grafit pred diamantom. Čo je potom za diamantom? Je tam vôbec niečo? Ak áno, ako to vyzerá a ako ďaleko to je? A hlavne, ako sa tam dostať, ak to chceme vidieť?
Inými slovami, otázky sú dve. Teoretickou otázkou je, ako veľmi musíme diamant stlačiť, aby sa jeho atómy poukladali ináč, a ako bude to nové usporiadanie vyzerať. Experimentálnou je to, ako taký tlak dosiahnuť, hoci aspoň na krátky čas, a ako zistiť, či atómy zmenili svoje usporiadanie.
Teoretická otázka zaujímala ľudí už dávnejšie. Prvá (a stále veríme, že správna) predpoveď je z r. 1984 [1] - pri tlaku cca 1 TPa (1012 Pa, cca 10 miliónov atmosférických tlakov, čo predstavuje cca trojnásobok tlaku v strede Zeme) by sa mal diamant zmeniť na takzvanú fázu BC8. Predpoveď bola založená na analógii s kremíkom, avšak aj neskoršie štúdie využívajúce pokročilé systematické metódy predikcie kryštálových štruktúr ju plne potvrdili. Ide o komplikovanú štruktúru (obrázok - červené atómy), ktorá stále zachováva preferovaný počet štyri väzby na atóm uhlíka, avšak ich usporiadanie je zložitejšie, čo umožňuje zmenšiť objem cca o 3%.
Experimentálny problém je vážny. Potrebujeme tlak najmenej 1 TPa, čo je extrémny tlak, ktorý v nijakom statickom experimente na Zemi nevieme dosiahnuť. Momentálne jedinou možnosťou je tzv. ramp compression, kde sa dajú dosiahnuť tlaky rádu TPa, avšak len na krátky čas rádu 10 ns.
Ale ani dosiahnutie takéhoto tlaku na veľmi krátky čas nemusí stačiť, lebo diamant je naozaj nepoddajný. V experimente [2] bol pred niekoľkými rokmi dosiahnutý tlak až 2 TPa, avšak nepozoroval sa nijaký prechod. Diamant sa len stlačil, ale jeho štruktúra sa nezmenila. Fáza BC8 v uhlíku tak doposiaľ ešte nebola experimentálne pozorovaná.
Keďže experiment je veľmi náročný a drahý, je namieste urobiť počítačovú simuláciu. Pomocou nej môžeme zistiť, ako by vlastne mal prechod prebiehať, a testovať rôzne možnosti, ktoré môžu pomôcť pri návrhu experimentu.
V súčasnosti počítačové simulácie, podobne ako mnohé iné oblasti vedy aj bežného života, prežívajú revolúciu súvisiacu s aplikáciou metód strojového učenia (ML - machine learning). Základom simulácií je schopnosť vypočítať energiu systému (tzv. potenciál), ak poznáme polohu všetkých atómov. Tento sa dá vypočítať pomocou kvantovej mechaniky, avšak výpočet je veľmi náročný a dlhý a pre systém s viac než niekoľkými tisícmi atómov prakticky neuskutočniteľný. Tu prichádza k slovu strojové učenie - na základe množstva príkladov sa model dokáže "naučiť" potenciál napr. pre uhlík a potom je schopný určiť ho s vysokou presnosťou a rýchlosťou aj pre milióny atómov. Tento pokrok dovoľuje podstatným spôsobom posunúť hranice toho, čo vieme simulovať.
V našej práci sme využili ML potenciál pre uhlík [3], ktorý vytvorila skupina Prof. I. Oleynika na University of South Florida, Tampa, USA. S použitím tzv. metadynamiky [4] a molekulovej dynamiky sme najprv simulovali prechody indukované vysokým tlakom z fázy kubický diamant. Ukázalo sa, že v prvej fáze dochádza k vzniku kvapky, ktorá reprezentuje pochladenú kvapalinu. Z tejto kvapky za krátky čas vykryštalizuje fáza BC8, ktorá sa potom postupne zväčšuje a nakoniec vyplní celý systém. Kubický diamant však nie je jedinou diamantovou fázou uhlíka. V prírode sa vyskytuje, aj keď len zriedka, aj iná fáza, tzv. hexagonálny diamant (lonsdaleite). V našej práci sme po prvýkrát simulovali aj prechod z tejto fázy (obrázok). Výsledok bol prekvapujúci - prechod prebehol podobne, ako sme popísali pre kubický diamant, avšak oveľa rýchlejšie. Keďže čas hrá pri metóde dynamickej kompresie podstatnú rolu, pretože vysoký tlak trvá len krátko, použitie hexagonálneho diamantu ako východiskového materiálu môže predstavovať lepšiu voľbu. Simulovali sme tiež dekompresiu BC8 na atmosférický tlak a ukázalo sa, že táto exotická fáza by pri izbovej teplote mohla prežiť a existovať ako metastabilná fáza pri normálnych podmienkach.
Práca [5], ktorá vznikla v spolupráci so skupinou Prof. I. Oleynika, bola 1. júna 2026 publikovaná v časopise Phys. Rev. B Letters (patrí do zoznamu Nature index) a bude užitočná pre návrh budúcich experimentov smerujúcich k syntéze BC8. Výskum na UK bol podporený grantmi APVV-19-0371 a APVV-23-0515.
Referencie
[1] M. T. Yin, Si-III (BC-8) crystal phase of Si and C: Structural properties, phase stabilities, and phase transitions, Phys. Rev. B 30, 1773 (1984).
[2] A. Lazicki, D. McGonegle, J. R. Rygg, D. G. Braun, D. C. Swift, M. G. Gorman, R. F. Smith, P. G. Heighway, A. Higginbotham, M. J. Suggit, et al., Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals, Nature (London) 589, 532 (2021).
[3] J. T. Willman, K. Nguyen-Cong, A. S. Williams, A. B. Belonoshko, S. G. Moore, A. P. Thompson, M. A. Wood, and I. I. Oleynik, Machine learning interatomic potential for simulations of carbon at extreme conditions, Phys. Rev. B 106, L180101 (2022).
[4] A. Laio and M. Parrinello, Escaping free-energy minima, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12562 (2002).
[5] Roman Martoňák, Sergey Galitskiy, Azat Tipeev, Joseph M. Gonzalez, and Ivan I. Oleynik, From diamond to BC8 to simple cubic and back: Kinetic pathways to post-diamond carbon phases from metadynamics, Phys. Rev. B 113, L220101 (2026).