碳表現(xiàn)出形成具有不尋常物理和化學(xué)性質(zhì)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(tài)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(jì)算到生物成像的可能應(yīng)用。正在進(jìn)行的研究表明，使用富含碳的有機(jī)前體進(jìn)行高壓合成可能會導(dǎo)致更多的發(fā)現(xiàn)和可能的定制設(shè)計(jì)。

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(xiàn)象，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家進(jìn)行了機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)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(shè)計(jì)工具，有助于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工作并實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的含能材料建模。

激光驅(qū)動的沖擊和爆轟實(shí)驗(yàn)可用于將富含碳的材料驅(qū)動到數(shù)千開爾文(K)的溫度和數(shù)十GPa(1GPa等于9,869個大氣壓)的條件下，在這種條件下，復(fù)雜的過程會導(dǎo)致在數(shù)百納秒內(nèi)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(xué)和物理現(xiàn)象尚未得到充分探索，部分原因是與在這種極端狀態(tài)下研究系統(tǒng)相關(guān)的挑戰(zhàn)。

最近在與行星內(nèi)部條件相似的條件下從碳?xì)浠衔锷a(chǎn)納米金剛石的實(shí)驗(yàn)為可能的碳凝聚機(jī)制提供了一些線索，但在強(qiáng)烈壓縮可能產(chǎn)生有趣的納米材料的系統(tǒng)和條件下，僅通過實(shí)驗(yàn)就無法探索。

LLNL團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，液態(tài)納米碳的形成遵循由Ostwald成熟驅(qū)動的經(jīng)典生長動力學(xué)(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(yīng)性碳傳輸介導(dǎo)的過程中服從動態(tài)縮放。

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

該團(tuán)隊(duì)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(jié)(沉淀)，通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)的原子間勢進(jìn)行大規(guī)模模擬成為可能。

高溫高壓下有機(jī)系統(tǒng)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(qū)域的混合物中的相分離，但這種聯(lián)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(guān)。

該團(tuán)隊(duì)對化學(xué)耦合碳凝聚的模擬和伴隨的分析解決了與有機(jī)系統(tǒng)中高壓納米碳合成相關(guān)的長期問題。

LLNL物理學(xué)家SorinBastea說：“我們的模擬已經(jīng)全面描繪了極端條件下富碳系統(tǒng)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(xiàn)出反應(yīng)系統(tǒng)典型的獨(dú)特特征，”該項(xiàng)目的首席研究員和該論文的共同主要作者。

參與這項(xiàng)研究的其他LLNL科學(xué)家包括Nir??Goldman和LaurenceFried。