Nanodiamanten, stukjes kristallijne koolstof honderdduizenden malen kleiner dan een zandkorrel, hebben intrigerende oppervlakte- en chemische eigenschappen met mogelijke toepassingen in de geneeskunde, opto-elektronica en kwantumcomputers. Om deze nanoscopische edelstenen te smeden, onderzoekers stellen organische explosieve moleculen bloot aan krachtige ontploffingen in een gecontroleerde omgeving. Deze explosieve krachten, echter, het moeilijk maken om het vormingsproces van nanodiamanten te bestuderen, zelfs onder laboratoriumomstandigheden.

Om deze hindernis te overwinnen, een paar Franse onderzoekers hebben onlangs een procedure en een computermodel ontwikkeld waarmee de zeer variabele omstandigheden van explosies op fenomenaal korte tijdschalen kunnen worden gesimuleerd. Het team rapporteert hun werk in The Journal of Chemical Physics .

"Het begrijpen van de processen die nanodiamanten vormen, is essentieel om hun eigenschappen te controleren of zelfs af te stemmen, waardoor ze veel beter geschikt zijn voor specifieke doeleinden, " zei Xavier Bidault, een onderzoeker bij CEA DAM Ile-de-France, en een co-auteur op het papier.

Bidault en zijn co-auteur Nicolas Pineau gebruikten een soort simulatie die bekend staat als Reactive Molecular Dynamics, die de tijdsevolutie van complexe, chemisch reactieve systemen tot op atomair niveau.

"Het interactiemodel op atomair niveau is essentieel om echt te begrijpen wat er gebeurt, "zei Pineau. "Het geeft ons een intieme manier om te analyseren, stap voor stap, hoe koolstofrijke verbindingen onder hoge druk nanodiamanten kunnen vormen, hoge temperatuur systeem."

Vanwege de extreme en vluchtig korte omstandigheden van een ontploffing, daadwerkelijk experimenteel onderzoek is onpraktisch, dus moeten onderzoekers vertrouwen op simulaties op atomair niveau die laten zien hoe en waar deze chemie plaatsvindt.

De nieuwe resultaten laten zien dat een delicaat evenwicht tussen temperatuur- en drukontwikkeling nodig is om nanodiamanten überhaupt te kunnen vormen. Als de initiële detonatiedruk te laag is, koolstof vaste stoffen kunnen vormen, maar geen diamanten. Als de druk te hoog is, de koolstof "zaden" van nanodiamanten worden vervuild door andere elementen, zoals zuurstof of stikstof, die de overgang naar diamant voorkomen.

Wetenschappers weten al meer dan 50 jaar dat nanodiamanten worden gevormd door ontploffingen, maar de details op atomair niveau van hun vorming zijn al minstens de laatste twee decennia een open vraag. De meest gebruikelijke industriële route voor hun synthese is de ontploffing van koolstofrijke organische explosieven. Nanodiamanten kunnen ook op natuurlijke wijze worden gevormd door explosieve vulkaanuitbarstingen of asteroïde-inslagen op aarde.

"Ons werk laat zien dat de juiste weg een hoge begindruk lijkt te zijn gevolgd door een scherpe drukafname, " zei Bidault. Als aan de precieze voorwaarden is voldaan, nanodiamanten vormen. Deze complexe drukpaden zijn typerend voor detonatieprocessen.