Si prevede che si formeranno cluster di nanocarbonio liquido decorati con ossigeno da monossido di carbonio liquido criogenico compresso con shock. L'istantanea, che proviene da simulazioni atomistiche guidate dall'apprendimento automatico, mostra solo atomi di carbonio (nero) e ossigeno (rosso) che partecipano alla formazione di ammassi e non il fluido reattivo circostante. Credito:Rebecca Lindsey/LLNL
Il carbonio mostra una notevole tendenza a formare nanomateriali con proprietà fisiche e chimiche insolite, derivanti dalla sua capacità di impegnarsi in diversi stati di legame. Molti di questi nanomateriali di "prossima generazione", che includono nanodiamanti, nanografite, nanocarbonio amorfo e nano-cipolle, sono attualmente allo studio per possibili applicazioni che vanno dal calcolo quantistico al bio-imaging. La ricerca in corso suggerisce che la sintesi ad alta pressione utilizzando precursori organici ricchi di carbonio potrebbe portare alla scoperta e forse alla progettazione su misura di molti altri.
Per comprendere meglio come i nanomateriali di carbonio potrebbero essere realizzati su misura e in che modo la loro formazione influisca su fenomeni d'urto come la detonazione, gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno condotto simulazioni atomistiche basate sull'apprendimento automatico per fornire informazioni sui processi fondamentali che controllano la formazione di nanocarbonio materiali, che potrebbero fungere da strumento di progettazione, aiutano a guidare gli sforzi sperimentali e consentono una modellazione più accurata dei materiali energetici.
Gli esperimenti di shock e detonazione guidati dal laser possono essere utilizzati per portare materiali ricchi di carbonio a condizioni di temperature di migliaia di gradi Kelvin (K) e pressioni di decine di GPa (un GPa equivale a 9.869 atmosfere), in cui processi complessi portano al formazione di nanocarburi di 2-10 nanometri entro centinaia di nanosecondi. Tuttavia, i precisi fenomeni chimici e fisici che regolano la formazione emergente di nanocarbonio a pressione e temperatura elevate non sono stati ancora completamente esplorati, in parte a causa delle sfide associate allo studio dei sistemi in stati così estremi.
Recenti esperimenti sulla produzione di nanodiamanti da idrocarburi sottoposti a condizioni simili a quelle degli interni dei pianeti offrono alcuni indizi sui possibili meccanismi di condensazione del carbonio, ma il panorama dei sistemi e delle condizioni in cui un'intensa compressione potrebbe produrre nanomateriali interessanti è troppo vasto per essere esplorato usando solo esperimenti.
Interpretazione artistica del trasporto reattivo tra cluster di nanocarbonio liquido previsto per la formazione di monossido di carbonio liquido criogenico shock compresso. Piccole perline nere e blu corrispondono rispettivamente agli atomi di carbonio e ossigeno e la luce rossa ha lo scopo di evocare gli esperimenti di compressione dell'urto dell'unità utilizzati dal laser. Credito:Brendan Thompson/LLNL
Il team LLNL ha scoperto che la formazione di nanocarbonio liquido segue la cinetica di crescita classica guidata dalla maturazione di Ostwald (crescita di grandi ammassi a spese della riduzione di quelli piccoli) e obbedisce al ridimensionamento dinamico in un processo mediato dal trasporto di carbonio reattivo nel fluido circostante.
"I risultati forniscono una visione diretta della condensazione del carbonio in un sistema rappresentativo e aprono la strada alla sua esplorazione in materiali organici di maggiore complessità, inclusi gli esplosivi", ha affermato la ricercatrice dell'LLNL Rebecca Lindsey, co-autrice principale del documento corrispondente apparso in Nature Comunicazioni .
Lo sforzo di modellazione del team ha compreso un'analisi approfondita della condensazione del carbonio (precipitazione) in miscele di ossido di carbonio (C/O) carenti di ossigeno ad alte pressioni e temperature, rese possibili da simulazioni su larga scala che utilizzano potenziali interatomici appresi dalla macchina.
La condensazione del carbonio in sistemi organici soggetti a temperature e pressioni elevate è un processo di non equilibrio simile alla separazione di fase in miscele spente da una fase omogenea in una regione a due fasi, tuttavia questa connessione è stata esplorata solo in parte; in particolare, i concetti di separazione di fase rimangono molto rilevanti per la sintesi di nanoparticelle.
Le simulazioni del team della condensazione del carbonio accoppiata chimicamente e l'analisi di accompagnamento affrontano questioni di vecchia data relative alla sintesi di nanocarbonio ad alta pressione nei sistemi organici.
"Le nostre simulazioni hanno prodotto un quadro completo dell'evoluzione dei cluster di carbonio nei sistemi ricchi di carbonio in condizioni estreme, che è sorprendentemente simile alla separazione di fase canonica nelle miscele di fluidi, ma mostrano anche caratteristiche uniche tipiche dei sistemi reattivi", ha affermato il fisico LLNL Sorin Bastea, ricercatore principale del progetto e co-autore principale dell'articolo.
Altri scienziati LLNL coinvolti nella ricerca includono Nir Goldman e Laurence Fried. + Esplora ulteriormente
