Nanodiamonds, pedaços de carbono cristalino centenas de milhares de vezes menores que um grão de areia, têm propriedades intrigantes de superfície e químicas com aplicações potenciais na medicina, optoeletrônica e computação quântica. Para forjar essas gemas nanoscópicas, pesquisadores expõem moléculas explosivas orgânicas a detonações poderosas em um ambiente controlado. Essas forças explosivas, Contudo, torna difícil estudar o processo de formação do nanodiamante, mesmo em condições de laboratório.

Para superar esse obstáculo, dois pesquisadores franceses desenvolveram recentemente um procedimento e um modelo de computador que podem simular as condições altamente variáveis ​​de explosões em escalas de tempo fenomenalmente curtas. A equipe relata seu trabalho em The Journal of Chemical Physics .

"Compreender os processos que formam os nanodiamantes é essencial para controlar ou mesmo ajustar suas propriedades, tornando-os muito mais adequados para fins específicos, "disse Xavier Bidault, um pesquisador do CEA DAM Ile-de-France, e um co-autor no artigo.

Bidault e seu co-autor Nicolas Pineau usaram um tipo de simulação conhecido como Dinâmica Molecular Reativa, que simula a evolução temporal do complexo, sistemas quimicamente reativos até o nível atômico.

"O modelo de interação em nível atômico é essencial para realmente entender o que está acontecendo, "disse Pineau." Isso nos dá uma maneira íntima de analisar, passo a passo, como compostos ricos em carbono podem formar nanodiamantes em alta pressão, sistema de alta temperatura. "

Devido às condições extremas e breves de uma detonação, a investigação experimental real é impraticável, portanto, os pesquisadores devem confiar em simulações em nível atômico que mostram como e onde essa química ocorre.

Os novos resultados revelam que um delicado equilíbrio entre a evolução da temperatura e da pressão é necessário para que os nanodiamantes se formem. Se a pressão de detonação inicial for muito baixa, sólidos de carbono são capazes de se formar, mas não diamantes. Se a pressão estiver muito alta, as "sementes" de carbono dos nanodiamantes ficam poluídas por outros elementos, como oxigênio ou nitrogênio, que impedem a transição para o diamante.

Os cientistas sabem há mais de 50 anos que os nanodiamantes se formam a partir de detonações, mas os detalhes em nível atômico de sua formação têm sido uma questão em aberto pelo menos nas últimas duas décadas. A rota industrial mais comum para sua síntese é a detonação de altos explosivos orgânicos ricos em carbono. Nanodiamonds também podem se formar naturalmente a partir de erupções vulcânicas explosivas ou impactos de asteróides na Terra.

"Nosso trabalho mostra que o caminho certo parece ser uma alta pressão inicial seguida por uma queda acentuada de pressão, "disse Bidault. Se as condições precisas forem atendidas, forma de nanodiamantes. Esses caminhos de pressão complexos são típicos de processos de detonação.