Abrindo o caminho para nanomateriais de carbono sob medida e modelagem de materiais energéticos mais precisos

Aglomerados de nanocarbono líquido decorados com oxigênio previstos para se formar a partir de monóxido de carbono líquido criogênico comprimido por choque. O instantâneo, que é de simulações atomísticas orientadas por aprendizado de máquina, mostra apenas átomos de carbono (preto) e oxigênio (vermelho) participando da formação do aglomerado e não do fluido reativo circundante. Crédito:Rebecca Lindsey/LLNL

O carbono exibe uma tendência notável para formar nanomateriais com propriedades físicas e químicas incomuns, decorrentes de sua capacidade de se envolver em diferentes estados de ligação. Muitos desses nanomateriais de "próxima geração", que incluem nanodiamantes, nanografita, nanocarbono amorfo e nano-cebolas, estão atualmente sendo estudados para possíveis aplicações que vão desde a computação quântica até a bioimagem. Pesquisas em andamento sugerem que a síntese de alta pressão usando precursores orgânicos ricos em carbono pode levar à descoberta e possivelmente ao design personalizado de muitos outros.
Para entender melhor como os nanomateriais de carbono podem ser feitos sob medida e como sua formação afeta fenômenos de choque como a detonação, os cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) realizaram simulações atomísticas orientadas por aprendizado de máquina para fornecer informações sobre os processos fundamentais que controlam a formação de nanocarbono materiais, que podem servir como uma ferramenta de projeto, ajudar a orientar os esforços experimentais e permitir uma modelagem mais precisa de materiais energéticos.

Experimentos de choque e detonação acionados a laser podem ser usados para conduzir materiais ricos em carbono a condições de temperaturas de milhares de graus Kelvin (K) e pressões de dezenas de GPa (um GPa equivale a 9.869 atmosferas), sob as quais processos complexos levam à formação de nanocarbonos de 2 a 10 nanômetros em centenas de nanossegundos. No entanto, os fenômenos químicos e físicos precisos que governam a formação emergente de nanocarbono sob pressão e temperatura elevadas ainda não foram totalmente explorados, devido em parte aos desafios associados ao estudo de sistemas em tais estados extremos.

Experimentos recentes sobre a produção de nanodiamantes a partir de hidrocarbonetos submetidos a condições semelhantes às de interiores planetários oferecem algumas pistas sobre possíveis mecanismos de condensação de carbono, mas a paisagem de sistemas e condições sob as quais a compressão intensa pode produzir nanomateriais interessantes é muito vasta para ser explorada apenas com experimentos.

Interpretação artística do transporte reativo entre aglomerados de nanocarbono líquido previsto para se formar a partir de monóxido de carbono líquido criogênico comprimido por choque. Pequenas contas pretas e azuis correspondem a átomos de carbono e oxigênio, respectivamente, e a luz vermelha destina-se a evocar os experimentos de compressão de choque de acionamento do laser usado. Crédito:Brendan Thompson/LLNL

A equipe do LLNL descobriu que a formação de nanocarbono líquido segue a cinética de crescimento clássica impulsionada pelo amadurecimento de Ostwald (crescimento de grandes aglomerados à custa do encolhimento dos pequenos) e obedece à escala dinâmica em um processo mediado pelo transporte de carbono reativo no fluido circundante.

"Os resultados fornecem uma visão direta da condensação de carbono em um sistema representativo e abrem o caminho para sua exploração em materiais orgânicos de maior complexidade, incluindo explosivos", disse a pesquisadora do LLNL Rebecca Lindsey, co-autora principal do artigo correspondente publicado na Nature Comunicações .

O esforço de modelagem da equipe compreendeu uma investigação aprofundada da condensação de carbono (precipitação) em misturas de óxido de carbono (C/O) deficientes em oxigênio em altas pressões e temperaturas, possibilitadas por simulações em larga escala usando potenciais interatômicos aprendidos por máquina.

A condensação de carbono em sistemas orgânicos sujeitos a altas temperaturas e pressões é um processo de não equilíbrio semelhante à separação de fases em misturas extintas de uma fase homogênea para uma região de duas fases, mas essa conexão foi apenas parcialmente explorada; notavelmente, os conceitos de separação de fases permanecem muito relevantes para a síntese de nanopartículas.

As simulações da equipe de condensação de carbono acoplado à química e a análise que o acompanha abordam questões de longa data relacionadas à síntese de nanocarbono de alta pressão em sistemas orgânicos.

“Nossas simulações renderam uma imagem abrangente da evolução do cluster de carbono em sistemas ricos em carbono em condições extremas – que é surpreendentemente semelhante à separação de fases canônica em misturas de fluidos – mas também exibe características únicas típicas de sistemas reativos”, disse o físico do LLNL Sorin Bastea, pesquisador principal do projeto e co-autor principal do artigo.

Outros cientistas do LLNL envolvidos na pesquisa incluem Nir Goldman e Laurence Fried. + Explorar mais