Kohlenstoff zeigt eine bemerkenswerte Tendenz, Nanomaterialien mit ungewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften zu bilden, die sich aus seiner Fähigkeit ergeben, verschiedene Bindungszustände einzunehmen. Viele dieser Nanomaterialien der „nächsten Generation“, darunter Nanodiamanten, Nanographit, amorpher Nanokohlenstoff und Nanozwiebeln, werden derzeit auf mögliche Anwendungen untersucht, die von Quantencomputern bis hin zu Bio-Imaging reichen. Laufende Forschung deutet darauf hin, dass die Hochdrucksynthese unter Verwendung kohlenstoffreicher organischer Vorläufer zur Entdeckung und möglicherweise zum maßgeschneiderten Design von vielen weiteren führen könnte.
Um besser zu verstehen, wie Kohlenstoff-Nanomaterialien maßgeschneidert werden könnten und wie sich ihre Bildung auf Schockphänomene wie Detonationen auswirkt, führten Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) durch maschinelles Lernen getriebene atomistische Simulationen durch, um Einblicke in die grundlegenden Prozesse zu erhalten, die die Bildung von Nanokohlenstoff steuern Materialien, die als Designwerkzeug dienen könnten, helfen, experimentelle Bemühungen zu lenken und eine genauere energetische Materialmodellierung zu ermöglichen.
Lasergetriebene Schock- und Detonationsexperimente können verwendet werden, um kohlenstoffreiche Materialien auf Bedingungen von Temperaturen von Tausenden von Grad Kelvin (K) und Drücken von mehreren zehn GPa (ein GPa entspricht 9.869 Atmosphären) zu bringen, unter denen komplexe Prozesse zu führen Bildung von 2-10 Nanometer großen Nanokohlenstoffen innerhalb von Hunderten von Nanosekunden. Die genauen chemischen und physikalischen Phänomene, die die entstehende Nanokohlenstoffbildung unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur steuern, wurden jedoch noch nicht vollständig erforscht, was zum Teil auf die Herausforderungen zurückzuführen ist, die mit der Untersuchung von Systemen bei solch extremen Zuständen verbunden sind.
Jüngste Experimente zur Herstellung von Nanodiamanten aus Kohlenwasserstoffen, die ähnlichen Bedingungen wie im Inneren von Planeten ausgesetzt sind, bieten einige Hinweise auf mögliche Mechanismen der Kohlenstoffkondensation, aber die Landschaft der Systeme und Bedingungen, unter denen eine intensive Kompression interessante Nanomaterialien ergeben könnte, ist zu umfangreich, um sie allein mit Experimenten zu erkunden.
Das LLNL-Team fand heraus, dass die Bildung von flüssigem Nanokohlenstoff der klassischen Wachstumskinetik folgt, die von der Ostwald-Reifung (Wachstum großer Cluster auf Kosten des Schrumpfens kleiner Cluster) angetrieben wird, und einer dynamischen Skalierung in einem Prozess folgt, der durch reaktiven Kohlenstofftransport in der umgebenden Flüssigkeit vermittelt wird.
„Die Ergebnisse liefern einen direkten Einblick in die Kohlenstoffkondensation in einem repräsentativen System und ebnen den Weg für seine Erforschung in komplexeren organischen Materialien, einschließlich Sprengstoffen“, sagte LLNL-Forscherin Rebecca Lindsey, Co-Hauptautorin des entsprechenden Artikels, der in erscheint Naturkommunikation.
Die Modellierungsanstrengungen des Teams umfassten eine eingehende Untersuchung der Kohlenstoffkondensation (Ausfällung) in sauerstoffarmen Kohlenoxid (C/O)-Mischungen bei hohen Drücken und Temperaturen, die durch groß angelegte Simulationen unter Verwendung von maschinell erlernten interatomaren Potentialen ermöglicht wurde.
Die Kohlenstoffkondensation in organischen Systemen, die hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind, ist ein Nichtgleichgewichtsprozess, ähnlich der Phasentrennung in Mischungen, die von einer homogenen Phase in einen Zweiphasenbereich abgeschreckt werden, doch wurde dieser Zusammenhang nur teilweise erforscht; Insbesondere Phasentrennungskonzepte bleiben für die Nanopartikelsynthese sehr relevant.
Die Simulationen des Teams zur chemikaliengekoppelten Kohlenstoffkondensation und die begleitende Analyse adressieren seit langem bestehende Fragen im Zusammenhang mit der Hochdruck-Nanokohlenstoffsynthese in organischen Systemen.
„Unsere Simulationen haben ein umfassendes Bild der Entwicklung von Kohlenstoffclustern in kohlenstoffreichen Systemen unter extremen Bedingungen ergeben – das überraschend ähnlich der kanonischen Phasentrennung in Fluidgemischen ist – aber auch einzigartige Merkmale aufweisen, die typisch für reaktive Systeme sind“, sagte LLNL-Physiker Sorin Bastea. Hauptforscher des Projekts und Co-Hauptautor der Arbeit.
Andere an der Forschung beteiligte LLNL-Wissenschaftler sind Nir Goldman und Laurence Fried.
Rebecca K. Lindsey et al, Chemie-vermittelte Ostwald-Reifung in kohlenstoffreichen C/O-Systemen unter extremen Bedingungen, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29024-x