Cómo adaptar los nanomateriales de carbono

Cómo adaptar los nanomateriales de carbono


El carbono muestra una extraordinaria tendencia a producir nanomateriales con propiedades químicas y físicas raras debido a su capacidad para participar en diferentes estados de enlace.

Nuevo estudio LLNL demuestra ruta para adaptar nanomateriales de carbono
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. Las pequeñas esferas negras y azules corresponden a los átomos de carbono y oxígeno, respectivamente, y se dice que la luz roja da lugar al láser que se utiliza para impulsar los experimentos de compresión por impacto. Crédito de la imagen: Brendan Thompson/LLNL

Varios de estos nanomateriales de «próxima generación», que incluyen nanografito, nanodiamantes, nanocebollas y nanocarbono amorfo, se están explorando actualmente para aplicaciones potenciales que abarcan áreas que van desde la bioimagen hasta la computación cuántica. La investigación en curso sugiere que la síntesis a alta presión utilizando precursores orgánicos ricos en carbono podría allanar el camino para el descubrimiento y quizás el diseño personalizado de muchos más.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) querían comprender mejor cómo los nanomateriales de carbono pueden fabricarse a medida y cómo su desarrollo afecta los fenómenos de choque como las detonaciones.

Por lo tanto, el equipo de LLNL realizó simulaciones atomísticas estimuladas por aprendizaje automático para brindar información sobre los procesos importantes que regulan la evolución de los materiales de nanocarbono que actúan como una herramienta de diseño, podrían ayudar a guiar los esfuerzos experimentales y facilitar un modelado de materiales energéticos más preciso.

Los experimentos de choque y detonación estimulados por láser se pueden usar para llevar materiales ricos en carbono a condiciones de presión de 10 GPa (un GPa equivale a 9869 atmósferas) y temperaturas de 1000 grados Kelvin (K), bajo las cuales diversos procesos conducen a la evolución de 2- Nanocarbonos de 10 nanómetros en cuestión de 100 nanosegundos.

Sin embargo, los fenómenos físicos y químicos precisos que controlan la formación de nanocarbonos nacientes bajo temperaturas y presiones muy altas aún no se han estudiado completamente, en parte debido a los problemas asociados con el estudio de sistemas en condiciones tan extremas.

Experimentos recientes para producir nanodiamantes a partir de hidrocarburos expuestos a condiciones similares a las de los planetas proporcionan algunas pistas sobre los posibles mecanismos de condensación de carbono, pero el panorama de condiciones y sistemas bajo los cuales una fuerte compresión podría producir nanomateriales notables es demasiado amplio, solo para ser estudiado con experimentos.

Los investigadores aprendieron que la evolución del nanocarbono líquido sigue la cinética de crecimiento tradicional estimulada por la maduración de Ostwald (la evolución de grandes grupos a expensas de la contracción de pequeños grupos) y se adapta a la escala dinámica en un proceso mediado por el transporte de carbono reactivo en el líquido inmediato.

Los resultados brindan una mirada directa a la condensación de carbono en un sistema representativo y allanan el camino para la investigación de materiales orgánicos más complejos, incluidos los explosivos.

Rebecca Lindsey, co-investigadora principal e investigadora, LLNL

El artículo de investigación correspondiente fue publicado en comunicación de la naturaleza.

Los esfuerzos de modelado de los investigadores incluyeron un estudio detallado de la condensación de carbono (precipitación) en mezclas de óxido de carbono (C/O) sin oxígeno a altas temperaturas y presiones, que fue posible gracias a la replicación masiva utilizando potenciales interatómicos aprendidos por máquina.

La condensación de carbono en sistemas orgánicos sometidos a altas presiones y temperaturas es un proceso de no equilibrio, similar a la separación de fases en mezclas templadas desde una fase homogénea a un régimen de dos fases, pero esta relación solo se ha explorado parcialmente; en particular, las teorías de separación de fases siguen siendo muy aplicables a la síntesis de nanopartículas.

Las simulaciones de condensación de carbono con acoplamiento químico del equipo de LLNL y el análisis asociado investigan cuestiones de larga data relacionadas con la producción de nanocarbono a alta presión en sistemas orgánicos.

Nuestras simulaciones han proporcionado 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.

Sorin Bastea, investigador principal, coautor principal del estudio y físico, LLNL

Otros investigadores del LLNL involucrados en el estudio son Laurence Fried y Nir Goldman. El estudio fue financiado por el programa de investigación y desarrollo dirigido por el laboratorio de LLNL.

Referencia de la revista:

Lindsey, R. K. y otros. (2022) Maduración de Ostwald mediada por química en sistemas C/O ricos en carbono en condiciones extremas. comunicación de la naturaleza. doi.org/10.1038/s41467-022-29024-x.

Fuente: https://www.llnl.gov

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