Koolstof vertoont een opmerkelijke neiging om nanomaterialen te vormen met ongebruikelijke fysische en chemische eigenschappen, als gevolg van zijn vermogen om verschillende bindingstoestanden aan te gaan. Veel van deze "next-generation" nanomaterialen, waaronder nanodiamanten, nanografiet, amorfe nanokoolstof en nano-uien, worden momenteel bestudeerd voor mogelijke toepassingen van quantum computing tot bio-imaging. Lopend onderzoek suggereert dat hogedruksynthese met koolstofrijke organische voorlopers zou kunnen leiden tot de ontdekking en mogelijk het op maat gemaakte ontwerp van nog veel meer.

Om beter te begrijpen hoe koolstofnanomaterialen op maat kunnen worden gemaakt en hoe hun vorming schokverschijnselen zoals detonatie beïnvloedt, hebben wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) machinaal leren-gestuurde atomistische simulaties uitgevoerd om inzicht te krijgen in de fundamentele processen die de vorming van nanokoolstof beheersen materialen, die kunnen dienen als een ontwerptool, helpen bij het begeleiden van experimentele inspanningen en nauwkeurigere modellering van energetische materialen mogelijk maken.

Lasergestuurde schok- en detonatie-experimenten kunnen worden gebruikt om koolstofrijke materialen tot omstandigheden van duizenden graden Kelvin (K) en drukken van tientallen GPa (één GPa is gelijk aan 9.869 atmosfeer), waaronder complexe processen leiden tot de vorming van 2-10 nanometer nanokoolstoffen binnen honderden nanoseconden. De precieze chemische en fysische verschijnselen die de vorming van nanokoolstof onder verhoogde druk en temperatuur bepalen, zijn echter nog niet volledig onderzocht, deels als gevolg van de uitdagingen die gepaard gaan met het bestuderen van systemen in dergelijke extreme toestanden.

Recente experimenten met de productie van nanodiamanten uit koolwaterstoffen die zijn onderworpen aan omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van planetaire interieurs, bieden enkele aanwijzingen over mogelijke koolstofcondensatiemechanismen, maar het landschap van systemen en omstandigheden waaronder intense compressie interessante nanomaterialen zou kunnen opleveren, is te groot om alleen met experimenten te worden onderzocht.

Het LLNL-team ontdekte dat de vorming van vloeibare nanokoolstof de klassieke groeikinetiek volgt die wordt aangedreven door Ostwald-rijping (groei van grote clusters ten koste van krimpende kleine) en gehoorzaamt aan dynamische schaling in een proces dat wordt gemedieerd door reactief koolstoftransport in de omringende vloeistof.

"De resultaten geven direct inzicht in koolstofcondensatie in een representatief systeem en effenen de weg voor de verkenning ervan in organische materialen met een hogere complexiteit, waaronder explosieven", zegt LLNL-onderzoeker Rebecca Lindsey, co-hoofdauteur van het overeenkomstige artikel dat verschijnt in Nature Communicatie .

De modelleringsinspanning van het team omvatte diepgaand onderzoek van koolstofcondensatie (neerslag) in zuurstofarme koolstofoxide (C/O) mengsels bij hoge drukken en temperaturen, mogelijk gemaakt door grootschalige simulaties met behulp van machinaal aangeleerde interatomaire potentialen.

Koolstofcondensatie in organische systemen die onderhevig zijn aan hoge temperaturen en drukken is een niet-evenwichtsproces dat lijkt op fasescheiding in mengsels die worden afgeschrikt van een homogene fase naar een tweefasengebied, maar dit verband is slechts gedeeltelijk onderzocht; met name blijven fasescheidingsconcepten zeer relevant voor de synthese van nanodeeltjes.

De simulaties van het team van chemie-gekoppelde koolstofcondensatie en bijbehorende analyse gaan in op langlopende vragen met betrekking tot hogedruk-nanokoolstofsynthese in organische systemen.

"Onze simulaties hebben een uitgebreid beeld opgeleverd van de evolutie van koolstofclusters in koolstofrijke systemen onder extreme omstandigheden - wat verrassend vergelijkbaar is met canonieke fasescheiding in vloeistofmengsels - maar vertonen ook unieke kenmerken die typerend zijn voor reactieve systemen", zegt LLNL-natuurkundige Sorin Bastea, hoofdonderzoeker van het project en een co-hoofdauteur van het artikel.

Andere LLNL-wetenschappers die bij het onderzoek betrokken zijn, zijn onder meer Nir Goldman en Laurence Fried. + Verder verkennen

Een door schokken geïnduceerd mechanisme voor de aanmaak van organische moleculen