Nanodiamanter, bitar av kristallint kol hundratusentals gånger mindre än ett sandkorn, har spännande ytegenskaper och kemiska egenskaper med potentiella tillämpningar inom medicin, optoelektronik och kvantberäkning. För att smida dessa nanoskopiska ädelstenar, forskare utsätter organiska explosiva molekyler för kraftfulla detonationer i en kontrollerad miljö. Dessa explosiva krafter, dock, gör det svårt att studera nanodiamantbildningsprocessen, även under laboratorieförhållanden.

För att övervinna detta hinder, ett par franska forskare utvecklade nyligen en procedur och en datormodell som kan simulera de mycket varierande förhållandena för explosioner på fenomenalt korta tidsskalor. Teamet rapporterar sitt arbete in Journal of Chemical Physics .

"Att förstå processerna som bildar nanodiamanter är viktigt för att kontrollera eller till och med justera deras egenskaper, gör dem mycket bättre lämpade för specifika ändamål, sa Xavier Bidault, en forskare vid CEA DAM Ile-de-France, och en medförfattare på tidningen.

Bidault och hans medförfattare Nicolas Pineau använde en typ av simulering som kallas Reactive Molecular Dynamics, som simulerar tidsutvecklingen av komplex, kemiskt reaktiva system ner till atomnivå.

"Interaktionsmodellen på atomnivå är viktig för att verkligen förstå vad som händer, " sade Pineau. "Det ger oss ett intimt sätt att analysera, steg för steg, hur kolrika föreningar kan bilda nanodiamanter i högt tryck, högtemperatursystem."

På grund av de extrema och flyktigt korta förhållandena för en detonation, faktisk experimentell undersökning är opraktisk, så forskare måste förlita sig på simuleringar på atomnivå som visar hur och var denna kemi uppstår.

De nya resultaten avslöjar att en delikat balans mellan temperatur- och tryckutveckling är nödvändig för att nanodiamanter överhuvudtaget ska bildas. Om det initiala detonationstrycket är för lågt, fasta kolämnen kan bildas, men inte diamanter. Om trycket är för högt, kol "frön" av nanodiamanter blir förorenade av andra element, såsom syre eller kväve, som förhindrar övergången till diamant.

Forskare har vetat i mer än 50 år att nanodiamanter bildas från detonationer, men detaljerna på atomnivå i deras bildande har varit en öppen fråga under åtminstone de senaste två decennierna. Den vanligaste industriella vägen för deras syntes är detonation av kolrika organiska högexplosiva ämnen. Nanodiamanter kan också bildas naturligt från explosiva vulkanutbrott eller asteroidnedslag på jorden.

"Vårt arbete visar att den rätta vägen verkar vara ett högt initialtryck följt av en kraftig tryckminskning, " sa Bidault. Om de exakta villkoren är uppfyllda, nanodiamanter bildas. Dessa komplexa tryckvägar är typiska för detonationsprocesser.