Kol uppvisar en anmärkningsvärd tendens att bilda nanomaterial med ovanliga fysikaliska och kemiska egenskaper, som härrör från dess förmåga att engagera sig i olika bindningstillstånd. Många av dessa "nästa generations" nanomaterial, som inkluderar nanodiamanter, nanografit, amorft nanokol och nano-lökar, studeras för närvarande för möjliga tillämpningar som spänner över kvantberäkning till bioavbildning. Pågående forskning tyder på att högtryckssyntes med hjälp av kolrika organiska prekursorer kan leda till upptäckten och möjligen skräddarsydd design av många fler.

För att bättre förstå hur kolnanomaterial kan skräddarsys och hur deras bildning påverkar chockfenomen som detonation, genomförde Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare maskininlärningsdrivna atomistiska simuleringar för att ge insikt i de grundläggande processerna som styr bildningen av nanokol material, som skulle kunna fungera som ett designverktyg, hjälpa till att vägleda experimentella ansträngningar och möjliggöra mer exakt modellering av energimaterial.

Laserdrivna stöt- och detonationsexperiment kan användas för att driva kolrika material till temperaturförhållanden på tusentals grader Kelvin (K) och tryck på tiotals GPa (en GPa motsvarar 9 869 atmosfärer), under vilka komplexa processer leder till bildning av 2-10 nanometer nanokol inom hundratals nanosekunder. De exakta kemiska och fysikaliska fenomenen som styr framväxande nanokolbildning under förhöjt tryck och förhöjt temperatur har dock inte utforskats fullt ut ännu, delvis på grund av de utmaningar som är förknippade med att studera system i sådana extrema tillstånd.

Nyligen genomförda experiment på nanodiamantproduktion från kolväten som utsätts för förhållanden som liknar dem i planetariska interiörer ger några ledtrådar om möjliga kolkondensationsmekanismer, men landskapet av system och förhållanden under vilka intensiv kompression kan ge intressanta nanomaterial är för stort för att utforskas enbart med experiment.

LLNL-teamet fann att bildning av flytande nanokol följer klassisk tillväxtkinetik som drivs av Ostwald-mognad (tillväxt av stora kluster på bekostnad av krympande små) och följer dynamisk skalning i en process som medieras av reaktiv koltransport i den omgivande vätskan.

"Resultaten ger direkt insikt om kolkondensation i ett representativt system och banar väg för dess utforskning i organiska material med högre komplexitet, inklusive sprängämnen", säger LLNL-forskaren Rebecca Lindsey, medförfattare till motsvarande artikel som visas i Nature Kommunikation .

Teamets modelleringsinsats omfattade djupgående undersökningar av kolkondensation (utfällning) i syrebristiga koloxidblandningar (C/O) vid höga tryck och temperaturer, möjliggjort av storskaliga simuleringar med hjälp av maskininlärda interatomära potentialer.

Kolkondensation i organiska system som utsätts för höga temperaturer och tryck är en icke-jämviktsprocess som liknar fasseparation i blandningar som släcks från en homogen fas till en tvåfasregion, men detta samband har bara delvis utforskats; särskilt är fasseparationskoncept fortfarande mycket relevanta för nanopartikelsyntes.

Teamets simuleringar av kemikopplad kolkondensering och åtföljande analys tar upp långvariga frågor relaterade till högtrycks-nanokolsyntes i organiska system.

"Våra simuleringar har gett en heltäckande bild av kolklusterutvecklingen i kolrika system under extrema förhållanden - vilket är förvånansvärt likt kanonisk fasseparation i vätskeblandningar - men uppvisar också unika egenskaper som är typiska för reaktiva system", säger LLNL-fysikern Sorin Bastea. huvudutredare för projektet och en medförfattare till uppsatsen.

Andra LLNL-forskare som är involverade i forskningen inkluderar Nir Goldman och Laurence Fried. + Utforska vidare

En chockinducerad mekanism för skapandet av organiska molekyler