Clústeres de nanocarbono líquido decorados con oxígeno que se prevé que se formen a partir de monóxido de carbono líquido criogénico comprimido por choque. La instantánea, que proviene de simulaciones atomísticas impulsadas por aprendizaje automático, muestra solo átomos de carbono (negro) y oxígeno (rojo) que participan en la formación de grupos y no el fluido reactivo circundante. Crédito:Rebecca Lindsey/LLNL
El carbono exhibe una notable tendencia a formar nanomateriales con propiedades físicas y químicas inusuales, derivadas de su capacidad para participar en diferentes estados de enlace. Muchos de estos nanomateriales de "próxima generación", que incluyen nanodiamantes, nanografito, nanocarbono amorfo y nanocebollas, se están estudiando actualmente para posibles aplicaciones que van desde la computación cuántica hasta la bioimagen. La investigación en curso sugiere que la síntesis a alta presión utilizando precursores orgánicos ricos en carbono podría conducir al descubrimiento y posiblemente al diseño personalizado de muchos más.
Para comprender mejor cómo los nanomateriales de carbono podrían hacerse a la medida y cómo su formación afecta los fenómenos de choque como la detonación, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) realizaron simulaciones atomísticas basadas en el aprendizaje automático para proporcionar información sobre los procesos fundamentales que controlan la formación de nanocarbono. materiales, que podrían servir como una herramienta de diseño, ayudar a guiar los esfuerzos experimentales y permitir un modelado de materiales energéticos más preciso.
Los experimentos de choque y detonación impulsados por láser se pueden usar para conducir materiales ricos en carbono a condiciones de temperaturas de miles de grados Kelvin (K) y presiones de decenas de GPa (un GPa equivale a 9.869 atmósferas), bajo las cuales procesos complejos conducen a la formación de nanocarbonos de 2 a 10 nanómetros en cientos de nanosegundos. Sin embargo, los fenómenos químicos y físicos precisos que gobiernan la formación de nanocarbonos emergentes bajo presión y temperatura elevadas aún no se han explorado por completo, debido en parte a los desafíos asociados con el estudio de sistemas en estados tan extremos.
Los experimentos recientes sobre la producción de nanodiamantes a partir de hidrocarburos sometidos a condiciones similares a las del interior de los planetas ofrecen algunas pistas sobre los posibles mecanismos de condensación del carbono, pero el panorama de los sistemas y las condiciones en las que la compresión intensa podría producir nanomateriales interesantes es demasiado amplio para explorarlo mediante experimentos únicamente.
Interpretación artística del transporte reactivo entre grupos de nanocarbono líquido que se prevé que se formen a partir de monóxido de carbono líquido criogénico comprimido por choque. Pequeñas cuentas negras y azules corresponden a átomos de carbono y oxígeno respectivamente, y la luz roja está destinada a evocar los experimentos de compresión de choque de conducción utilizados con láser. Crédito:Brendan Thompson/LLNL
El equipo del LLNL descubrió que la formación de nanocarbono líquido sigue una cinética de crecimiento clásica impulsada por la maduración de Ostwald (crecimiento de grandes racimos a expensas de la reducción de los pequeños) y obedece a una escala dinámica en un proceso mediado por el transporte de carbono reactivo en el fluido circundante.
"Los resultados brindan información directa sobre la condensación de carbono en un sistema representativo y allanan el camino para su exploración en materiales orgánicos de mayor complejidad, incluidos los explosivos", dijo la investigadora del LLNL Rebecca Lindsey, coautora principal del artículo correspondiente que aparece en Nature Comunicaciones .
El esfuerzo de modelado del equipo comprendió una investigación en profundidad de la condensación de carbono (precipitación) en mezclas de óxido de carbono (C/O) deficientes en oxígeno a altas presiones y temperaturas, posible gracias a simulaciones a gran escala que utilizan potenciales interatómicos aprendidos por máquina.
La condensación de carbono en sistemas orgánicos sujetos a altas temperaturas y presiones es un proceso de no equilibrio similar a la separación de fases en mezclas apagadas de una fase homogénea a una región de dos fases, sin embargo, esta conexión solo se ha explorado parcialmente; en particular, los conceptos de separación de fases siguen siendo muy relevantes para la síntesis de nanopartículas.
Las simulaciones del equipo de condensación de carbono acoplada a la química y el análisis que las acompaña abordan cuestiones de larga data relacionadas con la síntesis de nanocarbono a alta presión en sistemas orgánicos.
"Nuestras simulaciones han arrojado una imagen completa de la evolución de los grupos de carbono en sistemas ricos en carbono en condiciones extremas, que es sorprendentemente similar a la separación de fases canónica en mezclas de fluidos, pero también muestran características únicas típicas de los sistemas reactivos", dijo Sorin Bastea, físico del LLNL. investigador principal del proyecto y coautor principal del artículo.
Otros científicos del LLNL involucrados en la investigación incluyen a Nir Goldman y Laurence Fried. Un mecanismo inducido por choque para la creación de moléculas orgánicas
