为定制碳纳米材料和更准确的高能材料建模铺平道路

碳表现出形成具有不寻常物理和化学性质的纳米材料的显着趋势，这是由于它具有参与不同键合状态的能力。许多这些“下一代”纳米材料，包括纳米金刚石、纳米石墨、无定形纳米碳和纳米洋葱，目前正在研究中，以用于从量子计算到生物成像的可能应用。正在进行的研究表明，使用富含碳的有机前体进行高压合成可能会导致更多的发现和可能的定制设计。

为了更好地了解如何定制碳纳米材料以及它们的形成如何影响爆炸等冲击现象，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家进行了机器学习驱动的原子模拟，以深入了解控制纳米碳形成的基本过程材料可以用作设计工具，有助于指导实验工作并实现更准确的含能材料建模。

激光驱动的冲击和爆轰实验可用于将富含碳的材料驱动到数千开尔文(K)的温度和数十GPa(1GPa等于9,869个大气压)的条件下，在这种条件下，复杂的过程会导致在数百纳秒内形成2-10纳米的纳米碳。然而，在高压和高温下控制新兴纳米碳形成的精确化学和物理现象尚未得到充分探索，部分原因是与在这种极端状态下研究系统相关的挑战。

最近在与行星内部条件相似的条件下从碳氢化合物生产纳米金刚石的实验为可能的碳凝聚机制提供了一些线索，但在强烈压缩可能产生有趣的纳米材料的系统和条件下，仅通过实验就无法探索。

LLNL团队发现，液态纳米碳的形成遵循由Ostwald成熟驱动的经典生长动力学(大簇的生长以缩小小簇为代价)，并且在由周围流体中的反应性碳传输介导的过程中服从动态缩放。

LLNL研究员丽贝卡·林赛(RebeccaLindsey)说：“这些结果提供了对代表性系统中碳凝聚的直接洞察，并为其在包括炸药在内的更高复杂性有机材料中的探索铺平了道路。”

该团队的建模工作包括深入研究在高压和高温下的缺氧碳氧化物(C/O)混合物中的碳凝结(沉淀)，通过使用机器学习的原子间势进行大规模模拟成为可能。

高温高压下有机系统中的碳冷凝是一个非平衡过程，类似于从均相淬火到两相区域的混合物中的相分离，但这种联系只得到了部分探索;值得注意的是，相分离概念仍然与纳米粒子合成非常相关。

该团队对化学耦合碳凝聚的模拟和伴随的分析解决了与有机系统中高压纳米碳合成相关的长期问题。

LLNL物理学家SorinBastea说：“我们的模拟已经全面描绘了极端条件下富碳系统中的碳簇演化——这与流体混合物中的典型相分离惊人地相似——但也表现出反应系统典型的独特特征，”该项目的首席研究员和该论文的共同主要作者。

参与这项研究的其他LLNL科学家包括Nir​​Goldman和LaurenceFried。