Simulações de uma molécula de carbono indescritível que deixa os diamantes no pó em busca de dureza podem abrir o caminho para sua criação em laboratório. Conhecida como fase cúbica de corpo centrado de oito átomos (BC8), espera-se que a configuração seja até 30% mais resistente à compressão do que o diamante – o material estável mais duro conhecido na Terra.

Físicos dos EUA e da Suécia realizaram simulações de dinâmica molecular com precisão quântica em um supercomputador para ver como o diamante se comportava sob alta pressão quando as temperaturas subiam a níveis que deveriam torná-lo instável, revelando novas pistas sobre as condições que poderiam empurrar os átomos de carbono no diamante para a estrutura incomum.

A fase BC8 já foi observada aqui na Terra em dois materiais, silício e germânio. A extrapolação das propriedades do BC8 observadas nesses materiais permitiu aos cientistas determinar como a fase se manifestaria no carbono.

A fase BC8 do carbono não existe na Terra, embora se pense que ela se esconde no cosmos, nos ambientes de alta pressão nas profundezas dos exoplanetas. A teoria sugere que é a forma mais dura de carbono que pode permanecer estável a pressões superiores a 10 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra. Se pudesse ser sintetizado e estabilizado mais perto de casa, abriria algumas possibilidades surpreendentes de pesquisa e aplicação de materiais.

Acredita-se que o diamante seja muito duro devido à sua estrutura atômica. Está organizado numa rede tetraédrica – cada átomo de carbono dentro dele está tetraedricamente ligado aos seus quatro vizinhos mais próximos, correspondendo à configuração ideal dos elétrons mais externos do próprio átomo de carbono.

“A estrutura BC8 mantém esta forma tetraédrica perfeita de vizinho mais próximo, mas sem os planos de clivagem encontrados na estrutura do diamante”, diz o físico Jon Eggert, do Lawrence Livermore National Laboratory. “A fase BC8 do carbono em condições ambientais provavelmente seria muito mais resistente que o diamante.”

No entanto, embora o carbono BC8 deva ser capaz de existir em condições ambientais, as tentativas de sintetizá-lo em laboratório foram insuficientes. Liderada pelo físico Kien Nguyen Cong, da Universidade do Sul da Flórida, uma equipe de pesquisadores aproveitou o poder da supercomputação para tentar descobrir onde essas tentativas estavam dando errado.

O supercomputador Frontier do Oak Ridge National Laboratory é atualmente o supercomputador mais rápido do mundo. Usando esta incrível peça de hardware, a equipe desenvolveu uma simulação que descreve as interações entre átomos individuais dentro de uma faixa muito alta de condições de pressão e temperatura. Executando esta simulação no Frontier, eles conseguiram reproduzir a evolução de bilhões de átomos de carbono sob condições extremas.

Os resultados revelaram a razão pela qual a síntese do carbono BC8 tem sido tão difícil de alcançar.

“Previmos”, explica o físico Ivan Olyenik, da Universidade do Sul da Flórida, “que a fase BC8 pós-diamante seria experimentalmente acessível apenas dentro de uma região estreita de alta pressão e alta temperatura do diagrama de fases de carbono”.

Por outras palavras, existe apenas uma região muito pequena de alta pressão e temperatura na qual o carbono BC8 pode se formar, e até agora as experiências não cumpriram essas condições. Por outro lado, agora que sabemos quais são essas condições, a síntese do carbono BC8 pode finalmente ser alcançável.

Os pesquisadores estão atualmente envolvidos em experimentos inspirados em teorias no National Ignition Facility para fazer exatamente isso… então fique atento a este espaço.

As descobertas foram publicadas no The Journal of Physical Chemistry Letters.