Allanando el camino hacia nanomateriales de carbono a medida y un modelado más preciso de materiales energéticos
Se espera que se formen grupos de nanocarbono líquido decorado con oxígeno a partir del monóxido de carbono líquido criogénico comprimido por choque. La instantánea, que proviene de simulaciones atomísticas basadas en 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, como resultado 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 investigando 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 entender mejor cómo carbón los nanomateriales podrían hacerse a 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 materiales de nanocarbono, que podrían servir como una herramienta de diseño, ayuda a guiar los esfuerzos experimentales y permite un modelado más preciso de materiales energéticos.
Los experimentos de choque y detonación impulsados por láser se pueden utilizar para impulsar materiales ricos en carbono a temperaturas de miles de grados Kelvin (K) y presiones de decenas de GPa (un GPa equivale a 9869 atmósferas), en los que los procesos complejos conducen a la formación de nanocarbonos. de 2 a 10 nanómetros en unos cientos de nanosegundos. Sin embargo, los fenómenos químicos y físicos precisos que rigen la formación de nanocarbonos emergentes bajo presión y temperatura elevadas aún no se han explorado por completo, en parte debido a los desafíos asociados con el estudio de sistemas en estados tan extremos.
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 posibles mecanismos de condensación de carbono, pero el panorama de sistemas y condiciones bajo los cuales la compresión intensa podría dar resultados interesantes. nanomateriales es demasiado vasto para ser explorado solo con experimentos.
Representación artística del transporte reactivo entre grupos de nanocarbono líquido que se espera que se formen a partir de monóxido de carbono líquido criogénico comprimido por choque. Las pequeñas cuentas negras y azules corresponden a los átomos de carbono y oxígeno respectivamente, y la luz roja pretende evocar los experimentos de compresión de choque de entrenamiento con láser utilizados. 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 cúmulos a expensas de la reducción de los pequeños) y obedece a una escala dinámica en un proceso mediado por el transporte reactivo de carbono 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 más complejos, incluidos los explosivos», dijo la investigadora del LLNL Rebecca Lindsey, coautora principal del artículo correspondiente publicado en Naturaleza Comunicación.
El esfuerzo de modelado del equipo incluyó un estudio en profundidad de la condensación de carbono (precipitación) en mezclas de monóxido de carbono (C/O) deficientes en oxígeno a altas presiones y temperaturas, que fue posible gracias a simulaciones a gran escala utilizando potenciales interatómicos aprendidos por máquina.
La condensación de carbono en sistemas orgánicos sometidos a altas temperaturas y presiones es un proceso de no equilibrio similar a la separación de fases en mezclas apagadas de una fase homogénea en una región bifásica, pero esta conexión no ha sido explorada solo parcialmente; en particular, los conceptos de separación de fases siguen siendo muy relevantes para la síntesis de nanopartículas.
Las simulaciones de condensación de carbono acopladas a la química del equipo 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 dieron 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 exhibe características únicas típicas de los sistemas reactivos», dijo el físico de LLNL Sorin Bastea. , el investigador principal del proyecto y coautor principal del artículo.
Otros científicos del LLNL involucrados en la investigación incluyen a Nir Goldman y Laurence Fried.
Rebecca K. Lindsey et al, maduración de Ostwald mediada por química en sistemas C/O ricos en carbono en condiciones extremas, Naturaleza Comunicación (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29024-x
Proporcionado por
Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Cita: Allanando el camino hacia nanomateriales de carbono a medida y un modelado más preciso de materiales energéticos (17 de marzo de 2022) consultado el 17 de marzo de 2022 en https://phys.org/news/2022-03-paving-tailor-made-carbon-nanomaterials -preciso.html
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