Baner vejen for skræddersyede kulstof-nanomaterialer og mere nøjagtig modellering af energiske materialer

Kulstof udviser en bemærkelsesværdig tendens til at danne nanomaterialer med usædvanlige fysiske og kemiske egenskaber, som skyldes dets evne til at indgå i forskellige bindingstilstande. Mange af disse "næste-generations" nanomaterialer, som omfatter nanodiamanter, nanografit, amorft nanocarbon og nanoløg, bliver i øjeblikket undersøgt for mulige anvendelser, der spænder over kvanteberegning til bio-billeddannelse. Igangværende forskning tyder på, at højtrykssyntese ved hjælp af kulstofrige organiske prækursorer kan føre til opdagelsen og muligvis det skræddersyede design af mange flere.

For bedre at forstå, hvordan kulstofnanomaterialer kunne skræddersyes, og hvordan deres dannelse påvirker chokfænomener såsom detonation, udførte Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) videnskabsmænd maskinlæringsdrevne atomistiske simuleringer for at give indsigt i de grundlæggende processer, der styrer dannelsen af ​​nanocarbon. materialer, der kunne tjene som et designværktøj, hjælpe med at guide eksperimentelle bestræbelser og muliggøre mere nøjagtig modellering af energiske materialer.

Laserdrevne stød- og detonationseksperimenter kan bruges til at drive kulstofrige materialer til temperaturforhold på tusindvis af grader Kelvin (K) og tryk på titusinder af GPa (én GPa er lig med 9.869 atmosfærer), hvorunder komplekse processer fører til dannelse af 2-10 nanometer nanocarboner inden for hundredvis af nanosekunder. De præcise kemiske og fysiske fænomener, der styrer dannelsen af ​​nanocarboner under forhøjet tryk og temperatur, er dog ikke blevet fuldt ud undersøgt endnu, til dels på grund af de udfordringer, der er forbundet med at studere systemer i sådanne ekstreme tilstande.

Nylige eksperimenter med nanodiamantproduktion fra kulbrinter, der er udsat for betingelser, der ligner dem i planetariske interiører, giver nogle fingerpeg om mulige kulstofkondensationsmekanismer, men landskabet af systemer og forhold, under hvilke intens komprimering kunne give interessante nanomaterialer, er for stort til at blive udforsket ved hjælp af eksperimenter alene.

LLNL-teamet fandt ud af, at dannelsen af ​​flydende nanocarbon følger klassisk vækstkinetik drevet af Ostwald-modning (vækst af store klynger på bekostning af at krympe små) og adlyder dynamisk skalering i en proces medieret af reaktiv kulstoftransport i den omgivende væske.

"Resultaterne giver direkte indsigt i kulstofkondensering i et repræsentativt system og baner vejen for dets udforskning i organiske materialer med højere kompleksitet, herunder sprængstoffer," siger LLNL-forsker Rebecca Lindsey, medforfatter af det tilsvarende papir, der vises i Nature Kommunikation .

Holdets modelleringsindsats omfattede en dybtgående undersøgelse af kulstofkondensation (udfældning) i iltfattige kuloxidblandinger (C/O) ved høje tryk og temperaturer, muliggjort af simuleringer i stor skala ved hjælp af maskinlærte interatomiske potentialer.

Kulstofkondensation i organiske systemer, der udsættes for høje temperaturer og tryk, er en ikke-ligevægtsproces, der ligner faseadskillelse i blandinger bratkølet fra en homogen fase til et tofaset område, men denne sammenhæng er kun delvist blevet undersøgt; især er faseadskillelseskoncepter fortsat meget relevante for nanopartikelsyntese.

Holdets simuleringer af kemikoblet kulstofkondensering og medfølgende analyse adresserer mangeårige spørgsmål relateret til højtryks-nanocarbonsyntese i organiske systemer.

"Vores simuleringer har givet et omfattende billede af kulstofklyngeudviklingen i kulstofrige systemer under ekstreme forhold - hvilket er overraskende ens med kanonisk faseadskillelse i væskeblandinger - men udviser også unikke egenskaber, der er typiske for reaktive systemer," sagde LLNL-fysiker Sorin Bastea, hovedefterforsker af projektet og en co-lead forfatter af papiret.

Andre LLNL-forskere involveret i forskningen omfatter Nir Goldman og Laurence Fried. + Udforsk yderligere

En shock-induceret mekanisme til dannelse af organiske molekyler