Nanodiamanti, pezzi di carbonio cristallino centinaia di migliaia di volte più piccoli di un granello di sabbia, hanno proprietà superficiali e chimiche intriganti con potenziali applicazioni in medicina, optoelettronica e informatica quantistica. Per forgiare queste gemme nanoscopiche, i ricercatori espongono molecole esplosive organiche a potenti detonazioni in un ambiente controllato. Queste forze esplosive, però, rendono difficile lo studio del processo di formazione del nanodiamante, anche in condizioni di laboratorio.

Per superare questo ostacolo, una coppia di ricercatori francesi ha recentemente sviluppato una procedura e un modello al computer in grado di simulare le condizioni altamente variabili delle esplosioni su scale temporali straordinariamente brevi. Il team riporta il proprio lavoro in Il Giornale di Fisica Chimica .

"Comprendere i processi che formano i nanodiamanti è essenziale per controllare o persino sintonizzare le loro proprietà, rendendoli molto più adatti a scopi specifici, " ha detto Xavier Bidault, ricercatore presso CEA DAM Ile-de-France, e un coautore sulla carta.

Bidault e il suo coautore Nicolas Pineau hanno utilizzato un tipo di simulazione noto come Reactive Molecular Dynamics, che simula l'evoluzione temporale di complessi, sistemi chimicamente reattivi fino al livello atomico.

"Il modello di interazione a livello atomico è essenziale per capire veramente cosa sta succedendo, " ha detto Pineau. "Ci dà un modo intimo per analizzare, passo dopo passo, come i composti ricchi di carbonio possono formare nanodiamanti ad alta pressione, sistema ad alta temperatura."

A causa delle condizioni estreme e fugaci di una detonazione, l'effettiva indagine sperimentale è impraticabile, quindi i ricercatori devono fare affidamento su simulazioni a livello atomico che mostrino come e dove si verifica questa chimica.

I nuovi risultati rivelano che è necessario un delicato equilibrio tra temperatura e evoluzione della pressione affinché i nanodiamanti si formino. Se la pressione di detonazione iniziale è troppo bassa, i solidi di carbonio sono in grado di formare, ma non diamanti. Se la pressione è troppo alta, i "semi" di carbonio dei nanodiamanti vengono inquinati da altri elementi, come ossigeno o azoto, che impediscono il passaggio al diamante.

Gli scienziati sanno da più di 50 anni che i nanodiamanti si formano dalle detonazioni, ma i dettagli a livello atomico della loro formazione sono stati una questione aperta almeno negli ultimi due decenni. La via industriale più comune per la loro sintesi è la detonazione di alti esplosivi organici ricchi di carbonio. I nanodiamanti possono anche formarsi naturalmente da eruzioni vulcaniche esplosive o impatti di asteroidi sulla Terra.

"Il nostro lavoro mostra che la strada giusta sembra essere un'alta pressione iniziale seguita da una forte diminuzione della pressione, " disse Bidault. Se le condizioni precise sono soddisfatte, forma di nanodiamanti. Questi complessi percorsi di pressione sono tipici dei processi di detonazione.