Des amas de nanocarbone liquide décorés d'oxygène devraient se former à partir de monoxyde de carbone liquide cryogénique comprimé par choc. L'instantané, qui provient de simulations atomistiques basées sur l'apprentissage automatique, ne montre que les atomes de carbone (noir) et d'oxygène (rouge) participant à la formation d'amas et non le fluide réactif environnant. Crédit :Rebecca Lindsey/LLNL
Le carbone présente une tendance remarquable à former des nanomatériaux aux propriétés physiques et chimiques inhabituelles, résultant de sa capacité à s'engager dans différents états de liaison. Bon nombre de ces nanomatériaux de "nouvelle génération", qui comprennent les nanodiamants, le nanographite, le nanocarbone amorphe et les nano-oignons, sont actuellement à l'étude pour de possibles applications allant de l'informatique quantique à la bio-imagerie. Les recherches en cours suggèrent que la synthèse à haute pression utilisant des précurseurs organiques riches en carbone pourrait conduire à la découverte et éventuellement à la conception sur mesure de bien d'autres.
Pour mieux comprendre comment les nanomatériaux de carbone pourraient être fabriqués sur mesure et comment leur formation affecte les phénomènes de choc tels que la détonation, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont mené des simulations atomistiques basées sur l'apprentissage automatique pour mieux comprendre les processus fondamentaux contrôlant la formation de nanocarbone. matériaux, qui pourraient servir d'outil de conception, aider à guider les efforts expérimentaux et permettre une modélisation plus précise des matériaux énergétiques.
Des expériences de choc et de détonation pilotées par laser peuvent être utilisées pour conduire des matériaux riches en carbone à des conditions de températures de milliers de degrés Kelvin (K) et de pressions de dizaines de GPa (un GPa équivaut à 9 869 atmosphères), dans lesquelles des processus complexes conduisent à la formation de nanocarbones de 2 à 10 nanomètres en quelques centaines de nanosecondes. Cependant, les phénomènes chimiques et physiques précis régissant la formation émergente de nanocarbone sous pression et température élevées n'ont pas encore été entièrement explorés, en partie en raison des défis associés à l'étude de systèmes à des états aussi extrêmes.
Des expériences récentes sur la production de nanodiamants à partir d'hydrocarbures soumis à des conditions similaires à celles des intérieurs planétaires offrent quelques indices sur d'éventuels mécanismes de condensation du carbone, mais le paysage des systèmes et des conditions dans lesquels une compression intense pourrait produire des nanomatériaux intéressants est trop vaste pour être exploré uniquement par des expériences.
Interprétation d'artiste du transport réactif entre les grappes de nanocarbone liquide qui devraient se former à partir du monoxyde de carbone liquide cryogénique comprimé par choc. Les petites perles noires et bleues correspondent respectivement aux atomes de carbone et d'oxygène, et la lumière rouge est destinée à évoquer les expériences de compression de choc d'entraînement au laser utilisées. Crédit :Brendan Thompson/LLNL
L'équipe du LLNL a découvert que la formation de nanocarbone liquide suit une cinétique de croissance classique entraînée par la maturation d'Ostwald (croissance de gros amas au détriment du rétrécissement des petits) et obéit à une mise à l'échelle dynamique dans un processus médié par le transport réactif du carbone dans le fluide environnant.
"Les résultats fournissent un aperçu direct de la condensation du carbone dans un système représentatif et ouvrent la voie à son exploration dans des matériaux organiques plus complexes, y compris des explosifs", a déclaré Rebecca Lindsey, chercheuse au LLNL, co-auteure principale de l'article correspondant paru dans Nature Communication .
L'effort de modélisation de l'équipe comprenait une étude approfondie de la condensation du carbone (précipitation) dans des mélanges d'oxyde de carbone (C/O) déficients en oxygène à des pressions et des températures élevées, rendue possible par des simulations à grande échelle utilisant des potentiels interatomiques appris par machine.
La condensation du carbone dans les systèmes organiques soumis à des températures et des pressions élevées est un processus hors d'équilibre semblable à la séparation de phases dans des mélanges trempés d'une phase homogène dans une région à deux phases, mais cette connexion n'a été que partiellement explorée ; notamment, les concepts de séparation de phases restent très pertinents pour la synthèse de nanoparticules.
Les simulations de l'équipe sur la condensation du carbone couplée à la chimie et l'analyse qui l'accompagne répondent à des questions de longue date liées à la synthèse de nanocarbone à haute pression dans les systèmes organiques.
"Nos simulations ont fourni une image complète de l'évolution des grappes de carbone dans les systèmes riches en carbone dans des conditions extrêmes - ce qui est étonnamment similaire à la séparation de phase canonique dans les mélanges de fluides - mais présente également des caractéristiques uniques typiques des systèmes réactifs", a déclaré le physicien LLNL Sorin Bastea, chercheur principal du projet et co-auteur principal de l'article.
Parmi les autres scientifiques du LLNL impliqués dans la recherche figurent Nir Goldman et Laurence Fried. Un mécanisme induit par le choc pour la création de molécules organiques
