LLNL利用AI驅動模擬預測穩定的高能碳材料

當材料受到壓縮時，其原子會被迫進入在常規條件下不存在的異常排列。這些構型往往是短暫的：一旦壓力釋放，原子通常會松弛回到穩定的低壓狀態。只有少數非常特定的材料（如鉆石）在回到室溫和大氣壓后仍能保持其高壓結構。利用計算模型，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員發現了一氧化碳和氧氣混合物形成聚合物的一條路徑，該聚合物即使在減壓后仍能保持穩定。

但在環境條件下將這些原子排列鎖定在原位，可以創造出具有廣泛應用潛力的一類新型有用材料。一個特別引人注目的例子是含能材料（特指能夠通過化學反應如燃燒、爆炸快速釋放大量能量的一類材料），這類材料在推進劑和炸藥方面非常有用。

在發表于《自然·通訊·化學》（《Nature Communications Chemistry》）的一項研究中，LLNL的研究人員發現了一種前所未有的二氧化碳等效聚合物，該聚合物可以從高壓條件下回收。

"二氧化碳的聚合物形式儲存的能量遠高于普通二氧化碳，因為其原子被鎖定在致密的共價鍵合網絡中。"該研究作者、LLNL科學家Stanimir Bonev表示。"如果這種材料可以被回收并穩定下來，它就代表了一種高能量密度材料——意味著它可以儲存并可能釋放大量的單位質量或體積能量。"

該團隊將量子分子動力學模擬與大規模機器學習模型相結合，預測形成聚合物的路徑，并理解其在高壓下以及壓力釋放時的行為。這些方法共同使研究人員能夠以受控且系統的方式探索廣泛的壓力和溫度條件，為未來的實驗工作提供了明確的配方。

突破性的進展在于，研究人員專注于壓縮一氧化碳和氧氣的混合物，而不是二氧化碳本身。從分子混合物開始可以使轉化在較低壓力下發生，并開辟更靈活的反應路徑。這種方法還有利于形成非晶固體，這種固體缺乏晶體的規則結構，在壓力釋放時可能更穩定。

"我們認為這些非晶結構在壓力釋放時經歷的鍵應變較小，這增強了它們在環境條件下的穩定性。"Bonev說。"這凸顯了非晶材料的潛力——它們常常因為晶體更受青睞而被忽視——但它們可以提供更大的穩定性和有用的性能。"

通過這種混合物，研究人員確定了一條合成路徑，該路徑從約7吉帕（1 GPa = 1,000 MPa（兆帕））的壓力開始——比以前形成基于聚合物的二氧化碳材料所需的超過100吉帕的壓力低了一個數量級。

除了展示如何創建材料的模擬之外，作者還提供了其有效性的物理解釋。關鍵在于碳-碳鍵，它們在混合物中容易形成，并有助于形成獨特而穩定的結構，幫助材料在壓力釋放時保持完整。

科學家們希望這項工作為未來的實驗努力提供一個具體的目標和實用的策略。更廣泛地說，這種方法可以應用于涉及碳、氧、氮或氫的其他輕元素系統，可能產生新的可回收含能和功能材料系列。