Diamant je dlhodobo považovaný za symbol neprekonateľnej tvrdosti. Čo sa však stane, ak ho vystavíme tlaku trikrát väčšiemu, než aký panuje v samotnom strede Zeme? Medzinárodný tím vedcov, vrátane profesora Romana Martoňáka z Katedry experimentálnej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (FMFI UK), priniesol nové zistenia o premene diamantu na doposiaľ nedosiahnuteľnú fázu zvanú BC8. Využili na to najmodernejšie metódy počítačových simulácií využívajúcich aj strojové učenie.
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 fascinuje otázka: Čo nasleduje na tlakovej stupnici za diamantom?
Teoretické predpovede už od roku 1984 naznačujú, že pri extrémne vysokom tlaku okolo 1 terapascalu (TPa) – čo zodpovedá zhruba 10 miliónom atmosférických tlakov a predstavuje cca trojnásobok tlaku v strede Zeme – by sa mali atómy diamantu preusporiadať do novej, komplikovanejšej kryštálovej štruktúry označovanej ako fáza BC8. Táto nová forma uhlíka by mala byť o 3 % hustejšia než samotný diamant.
Dosiahnuť takýto obrovský tlak v laboratórnych podmienkach na Zemi je však mimoriadne náročné. Súčasné experimenty využívajúce dynamickú kompresiu (tzv. ramp compression) dokážu takýto tlak vyvinúť len na nepredstaviteľne krátky čas – približne 10 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.
REKLAMA
Preto prichádzajú na rad pokročilé počítačové simulácie. Tie však donedávna narážali na limity v dôsledku vysokých výpočtových nárokov kvantovomechanických výpočtov, najmä pre väčšie systémy. „V súčasnosti zažívame revolúciu v počítačových simuláciách vďaka aplikácii metód strojového učenia,“ vysvetľuje profesor Roman Martoňák z FMFI UK. 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,“ dodáva R. Martoňák.
REKLAMA
Profesor Martoňák v spolupráci so skupinou profesora Ivana Oleynika z University of South Florida (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 (lonsdaleitu).
Výsledky simulácií priniesli prekvapenie. Ukázalo sa, že pri oboch formách dochádza najskôr k vzniku mikroskopickej kvapky, ktorá predstavuje podchladenú kvapalinu, a z tejto následne bleskovo vykryštalizuje očakávaná fáza BC8. Čo je však kľúčové pre budúcich experimentátorov – premena z hexagonálneho diamantu prebieha omnoho 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,“ vysvetľuje profesor Martoňák.
Tím navyše 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.
Štúdia vyšla 1. júna 2026 vo vedeckom časopise Physical Review B Letters (patrí do prestížneho zoznamu Nature Index) a rozšírila teoretické základy pre budúce reálne laboratórne experimenty. Výskum na Univerzite Komenského v Bratislave bol podporený grantmi Agentúry na podporu výskumu a vývoja (APVV-19-0371 a APVV-23-0515).
