Allanando el camino para nanomateriales de carbono a medida y un modelado de materiales energéticos más preciso

El carbono exhibe una notable tendencia a formar nanomateriales con propiedades físicas y químicas inusuales, derivadas de su capacidad para participar en diferentes estados de unión. Muchos de estos nanomateriales de «próxima generación», que incluyen nanodiamantes, nanografito, nanocarbono amorfo y nanocebollas, se están estudiando actualmente para aplicaciones potenciales que van desde la computación cuántica hasta la bioimagen. La investigación en curso sugiere que la síntesis a alta presión utilizando precursores orgánicos ricos en carbono podría conducir al descubrimiento y posiblemente al diseño personalizado de muchos más.

Para entender mejor cómo carbón Los nanomateriales se pueden hacer a medida y, dado que su formación afecta los fenómenos de choque como la detonación, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han realizado simulaciones atomísticas basadas en el aprendizaje automático para proporcionar información sobre los procesos fundamentales que controlan la formación de materiales de nanocarbono. que podría servir como herramienta de diseño, ayudar a guiar los esfuerzos experimentales y permitir un modelado más preciso de materiales energéticos.

Los experimentos de choque y detonación impulsados ​​por láser se pueden usar para conducir materiales ricos en carbono a condiciones de temperaturas de miles de grados Kelvin (K) y presiones de decenas de GPa (un GPa equivale a 9869 atmósferas), bajo las cuales los complejos de procesos conducen a la formación de nanocarbonos de 2 a 10 nanómetros en cientos de nanosegundos. Sin embargo, los fenómenos químicos y físicos precisos que rigen la formación emergente de nanocarbonos bajo presión y temperatura elevadas aún no se han explorado por completo, debido en parte a los desafíos asociados con el estudio de sistemas en estados tan extremos.

Experimentos recientes sobre la producción de nanodiamantes a partir de hidrocarburos sometidos a condiciones similares a las del interior de los planetas ofrecen algunas pistas sobre los posibles mecanismos de condensación del carbono, pero el panorama de sistemas y condiciones en los que se puede producir una compresión intensa nanomateriales es demasiado vasto para ser explorado usando solo experimentos.

El equipo del LLNL descubrió que la formación de nanocarbono líquido sigue una cinética de crecimiento clásica impulsada por la maduración de Ostwald (crecimiento de grandes cúmulos a expensas de la reducción de los pequeños) y obedece a una escala dinámica en un proceso mediado por el transporte de carbono reactivo en el fluido circundante.

«Los resultados brindan información directa sobre la condensación de carbono en un sistema representativo y allanan el camino para su exploración en materiales orgánicos más complejos, incluidos los explosivos», dijo la investigadora del LLNL Rebecca Lindsey, coautora del artículo correspondiente que aparece en Comunicaciones de la naturaleza.

El esfuerzo de modelado del equipo comprendió una investigación en profundidad de la condensación de carbono (precipitación) en mezclas de óxido de carbono (C/O) deficientes en oxígeno a altas presiones y temperaturas, posible gracias a simulaciones a gran escala que utilizan potenciales interatómicos aprendidos por máquina.

La condensación de carbono en sistemas orgánicos sometidos a altas temperaturas y presiones es un proceso de no equilibrio similar a la separación de fases en mezclas templadas de una fase homogénea a una región de dos fases, pero esta conexión solo se ha explorado parcialmente; en particular, los conceptos de separación de fases siguen siendo muy relevantes para la síntesis de nanopartículas.

Las simulaciones del equipo de condensación de carbono acoplada a la química y el análisis que las acompaña abordan cuestiones de larga data relacionadas con la síntesis de nanocarbono a alta presión en sistemas orgánicos.

«Nuestras simulaciones han arrojado una imagen completa de la evolución de los cúmulos de carbono en sistemas ricos en carbono en condiciones extremas, que es sorprendentemente similar a la separación de fases canónica en mezclas de fluidos, pero también exhibe características únicas típicas de los sistemas reactivos», dijo el físico del LLNL. Sorin Bastea, investigador principal del proyecto y coautor principal del artículo.

Otros científicos del LLNL involucrados en la investigación incluyen a Nir Goldman y Laurence Fried.