為定制碳納米材料和更準確的高能材料建模鋪平道路

碳表現出形成具有不尋常物理和化學性質的納米材料的顯著趨勢，這是由于它具有參與不同鍵合狀態的能力。許多這些“下一代”納米材料，包括納米金剛石、納米石墨、無定形納米碳和納米洋蔥，目前正在研究中，以用于從量子計算到生物成像的可能應用。正在進行的研究表明，使用富含碳的有機前體進行高壓合成可能會導致更多的發現和可能的定制設計。

為了更好地了解如何定制碳納米材料以及它們的形成如何影響爆炸等沖擊現象，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家進行了機器學習驅動的原子模擬，以深入了解控制納米碳形成的基本過程材料可以用作設計工具，有助于指導實驗工作并實現更準確的含能材料建模。

激光驅動的沖擊和爆轟實驗可用于將富含碳的材料驅動到數千開爾文(K)的溫度和數十GPa(1GPa等于9,869個大氣壓)的條件下，在這種條件下，復雜的過程會導致在數百納秒內形成2-10納米的納米碳。然而，在高壓和高溫下控制新興納米碳形成的精確化學和物理現象尚未得到充分探索，部分原因是與在這種極端狀態下研究系統相關的挑戰。

最近在與行星內部條件相似的條件下從碳氫化合物生產納米金剛石的實驗為可能的碳凝聚機制提供了一些線索，但在強烈壓縮可能產生有趣的納米材料的系統和條件下，僅通過實驗就無法探索。

LLNL團隊發現，液態納米碳的形成遵循由Ostwald成熟驅動的經典生長動力學(大簇的生長以縮小小簇為代價)，并且在由周圍流體中的反應性碳傳輸介導的過程中服從動態縮放。

LLNL研究員麗貝卡·林賽(RebeccaLindsey)說：“這些結果提供了對代表性系統中碳凝聚的直接洞察，并為其在包括炸藥在內的更高復雜性有機材料中的探索鋪平了道路。”

該團隊的建模工作包括深入研究在高壓和高溫下的缺氧碳氧化物(C/O)混合物中的碳凝結(沉淀)，通過使用機器學習的原子間勢進行大規模模擬成為可能。

高溫高壓下有機系統中的碳冷凝是一個非平衡過程，類似于從均相淬火到兩相區域的混合物中的相分離，但這種聯系只得到了部分探索;值得注意的是，相分離概念仍然與納米粒子合成非常相關。

該團隊對化學耦合碳凝聚的模擬和伴隨的分析解決了與有機系統中高壓納米碳合成相關的長期問題。

LLNL物理學家SorinBastea說：“我們的模擬已經全面描繪了極端條件下富碳系統中的碳簇演化——這與流體混合物中的典型相分離驚人地相似——但也表現出反應系統典型的獨特特征，”該項目的首席研究員和該論文的共同主要作者。

參與這項研究的其他LLNL科學家包括Nir??Goldman和LaurenceFried。