Pour forger des nanodiamants, qui ont des applications potentielles en médecine, optoélectronique et informatique quantique, les chercheurs exposent des molécules explosives organiques à de puissantes détonations dans un environnement contrôlé. Ces forces explosives, cependant, rendent difficile l'étude du processus de formation des nanodiamants. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont récemment développé une procédure et un modèle informatique qui peuvent simuler les conditions très variables des explosions sur des échelles de temps incroyablement courtes. Ils rapportent leur travail dans Le Journal de physique chimique . Cette image montre une nanoparticule carbonée (à gauche) et son noyau de carbone pur (à droite). Bleu :atomes de carbone. Rouge :atomes d'oxygène. Blanc :graine de diamant. Jaune :réseau de carbone pur entourant la graine de diamant Crédit :X. Bidault et N. Pineau
Nanodiamants, des morceaux de carbone cristallin des centaines de milliers de fois plus petits qu'un grain de sable, ont des propriétés de surface et chimiques intrigantes avec des applications potentielles en médecine, optoélectronique et informatique quantique. Pour forger ces pierres précieuses nanoscopiques, les chercheurs exposent des molécules explosives organiques à de puissantes détonations dans un environnement contrôlé. Ces forces explosives, cependant, rendent difficile l'étude du processus de formation des nanodiamants, même dans des conditions de laboratoire.
Pour surmonter cet obstacle, une paire de chercheurs français a récemment développé une procédure et un modèle informatique qui peuvent simuler les conditions très variables des explosions sur des échelles de temps incroyablement courtes. L'équipe rend compte de son travail dans Le Journal de Physique Chimique .
« Comprendre les processus qui forment les nanodiamants est essentiel pour contrôler voire affiner leurs propriétés, les rendant beaucoup mieux adaptés à des fins spécifiques, " a déclaré Xavier Bidault, chercheur au CEA DAM Ile-de-France, et un co-auteur sur le papier.
Bidault et son co-auteur Nicolas Pineau ont utilisé un type de simulation connu sous le nom de dynamique moléculaire réactive, qui simule l'évolution temporelle du complexe, systèmes chimiquement réactifs jusqu'au niveau atomique.
"Le modèle d'interaction au niveau atomique est essentiel pour vraiment comprendre ce qui se passe, " dit Pineau. " Cela nous donne une façon intime d'analyser, pas à pas, comment les composés riches en carbone peuvent former des nanodiamants sous haute pression, système à haute température."
En raison des conditions extrêmes et éphémèrement brèves d'une détonation, l'enquête expérimentale réelle n'est pas pratique, les chercheurs doivent donc s'appuyer sur des simulations au niveau atomique qui montrent comment et où cette chimie se produit.
Les nouveaux résultats révèlent qu'un équilibre délicat entre l'évolution de la température et de la pression est nécessaire pour que les nanodiamants se forment. Si la pression de détonation initiale est trop faible, les solides de carbone sont capables de se former, mais pas les diamants. Si la pression est trop élevée, les "graines" de carbone des nanodiamants sont polluées par d'autres éléments, comme l'oxygène ou l'azote, qui empêchent le passage au diamant.
Les scientifiques savent depuis plus de 50 ans que les nanodiamants se forment à partir de détonations, mais les détails au niveau atomique de leur formation sont une question ouverte depuis au moins les deux dernières décennies. La voie industrielle la plus courante pour leur synthèse est la détonation d'explosifs explosifs organiques riches en carbone. Les nanodiamants peuvent également se former naturellement à partir d'éruptions volcaniques explosives ou d'impacts d'astéroïdes sur Terre.
"Notre travail montre que le bon chemin semble être une pression initiale élevée suivie d'une forte baisse de pression, " dit Bidault. Si les conditions précises sont réunies, forme de nanodiamants. Ces chemins de pression complexes sont typiques des processus de détonation.
