Ny model hjælper med at definere optimal temperatur og tryk for at smede nanoskala diamanter

Nanodiamanter, bidder af krystallinsk kulstof hundredtusinder af gange mindre end et sandkorn, har spændende overflade- og kemiske egenskaber med potentielle anvendelser inden for medicin, optoelektronik og kvanteberegning. For at smede disse nanoskopiske ædelstene, forskere udsætter organiske eksplosive molekyler for kraftige detonationer i et kontrolleret miljø. Disse eksplosive kræfter, imidlertid, gøre det svært at studere nanodiamondannelsesprocessen, selv under laboratorieforhold.

For at overvinde denne forhindring, et par franske forskere har for nylig udviklet en procedure og en computermodel, der kan simulere eksplosionernes meget variable forhold på fænomenalt korte tidsskalaer. Teamet rapporterer deres arbejde i Journal of Chemical Physics .

"At forstå de processer, der danner nanodiamanter, er afgørende for at kontrollere eller endda justere deres egenskaber, gør dem meget bedre egnet til specifikke formål, "sagde Xavier Bidault, en forsker ved CEA DAM Ile-de-France, og en medforfatter på papiret.

Bidault og hans medforfatter Nicolas Pineau brugte en type simulering kendt som Reactive Molecular Dynamics, som simulerer tidsudviklingen af ​​komplekse, kemisk reaktive systemer ned til atomniveau.

"Interaktionsmodellen på atomniveau er afgørende for virkelig at forstå, hvad der sker, "sagde Pineau." Det giver os en intim måde at analysere, trin for trin, hvordan kulstofrige forbindelser kan danne nanodiamanter i et højt tryk, system med høj temperatur. "

På grund af de ekstreme og flygtigt korte forhold ved en detonation, faktisk eksperimentel undersøgelse er upraktisk, så forskere må stole på simuleringer på atomniveau, der viser, hvordan og hvor denne kemi opstår.

De nye resultater afslører, at en delikat balance mellem temperatur og trykudvikling er nødvendig for overhovedet at danne nanodiamanter. Hvis det første detonationstryk er for lavt, kulstof kan dannes, men ikke diamanter. Hvis trykket er for højt, kulstoffrøene fra nanodiamanter forurenes af andre elementer, såsom ilt eller nitrogen, som forhindrer overgangen til diamant.

Forskere har i mere end 50 år vidst, at nanodiamanter dannes fra detonationer, men detaljerne på atomniveau i deres dannelse har været et åbent spørgsmål i mindst de sidste to årtier. Den mest almindelige industrielle vej til deres syntese er detonation af kulstofrige organiske højeksplosiver. Nanodiamanter kan også dannes naturligt fra eksplosive vulkanudbrud eller asteroidepåvirkninger på Jorden.

"Vores arbejde viser, at den rigtige vej ser ud til at være et højt indledende tryk efterfulgt af et kraftigt trykfald, "sagde Bidault. Hvis de præcise betingelser er opfyldt, nanodiamanter dannes. Disse komplekse trykbaner er typiske for detonationsprocesser.