Nanodiamantes, pedazos de carbono cristalino cientos de miles de veces más pequeños que un grano de arena, tienen propiedades químicas y superficiales interesantes con aplicaciones potenciales en medicina, optoelectrónica y computación cuántica. Para forjar estas piedras preciosas nanoscópicas, Los investigadores exponen moléculas orgánicas explosivas a potentes detonaciones en un entorno controlado. Estas fuerzas explosivas, sin embargo, dificultar el estudio del proceso de formación de nanodiamantes, incluso en condiciones de laboratorio.

Para superar este obstáculo, un par de investigadores franceses desarrollaron recientemente un procedimiento y un modelo informático que pueden simular las condiciones altamente variables de las explosiones en escalas de tiempo extraordinariamente cortas. El equipo informa su trabajo en La Revista de Física Química .

"Comprender los procesos que forman los nanodiamantes es fundamental para controlar o incluso ajustar sus propiedades, haciéndolos mucho más adecuados para propósitos específicos, "dijo Xavier Bidault, investigador del CEA DAM Ile-de-France, y coautor del artículo.

Bidault y su coautor Nicolas Pineau utilizaron un tipo de simulación conocida como dinámica molecular reactiva, que simula la evolución temporal de complejos, sistemas químicamente reactivos hasta el nivel atómico.

"El modelo de interacción a nivel atómico es esencial para comprender realmente lo que está sucediendo, ", dijo Pineau." Nos da una forma íntima de analizar, paso a paso, cómo los compuestos ricos en carbono pueden formar nanodiamantes a alta presión, sistema de alta temperatura ".

Debido a las condiciones extremas y fugazmente breves de una detonación, la investigación experimental real no es práctica, por lo que los investigadores deben confiar en simulaciones a nivel atómico que muestren cómo y dónde ocurre esta química.

Los nuevos resultados revelan que es necesario un delicado equilibrio entre la evolución de la temperatura y la presión para que se formen los nanodiamantes. Si la presión de detonación inicial es demasiado baja, los sólidos de carbono pueden formarse, pero no diamantes. Si la presión es demasiado alta, las "semillas" de carbono de los nanodiamantes se contaminan con otros elementos, como oxígeno o nitrógeno, que previenen la transición al diamante.

Los científicos saben desde hace más de 50 años que los nanodiamantes se forman a partir de detonaciones, pero los detalles a nivel atómico de su formación han sido una cuestión abierta durante al menos las últimas dos décadas. La ruta industrial más común para su síntesis es la detonación de altos explosivos orgánicos ricos en carbono. Los nanodiamantes también pueden formarse naturalmente a partir de erupciones volcánicas explosivas o impactos de asteroides en la Tierra.

"Nuestro trabajo muestra que el camino correcto parece ser una alta presión inicial seguida de una fuerte disminución de la presión, "dijo Bidault. Si se cumplen las condiciones precisas, forma nanodiamantes. Estas complejas trayectorias de presión son típicas de los procesos de detonación.