Voor het eerst in de V.S. time-resolved small-angle x-ray scattering (TRSAXS) wordt gebruikt om ultrasnelle koolstofclustering en grafiet- en nanodiamantproductie waar te nemen in de ongevoelige explosieve Plastic Bonded Explosive (PBX) 9502, mogelijk leidend tot betere computermodellen met explosieve prestaties.

"Koolstofclusters worden geproduceerd tijdens het chemische detonatieproces in explosieven, " zei Dana Dattelbaum, van de afdeling Explosieve Wetenschappen en Schokfysica. "De koolstofdeeltjesgrootte, vorm, samenstelling en hun evolutie in de tijd helpt ons te begrijpen hoe explosieven energie leveren gedurende een bepaald tijdsbestek."

Het onderzoek is gepubliceerd in de online versie van de Journal of Physical Chemistry C in augustus. Met behulp van TRSAXS in de nieuw in gebruik genomen dynamische compressiesector van de geavanceerde fotonbron in het Argonne National Laboratory, onderzoekers van de nationale laboratoria Los Alamos en Lawrence Livermore hebben kleine monsters van op TATB gebaseerde (triamino-trinitrobenzeen) PBX 9502 tot ontploffing gebracht, terwijl röntgenstralen met een hoge helderheid worden verstrooid door de vaste koolstofproducten die bij de ontploffing zijn gevormd. Tot de medewerkers behoorden ook wetenschappers en technici van Argonne en de Washington State University.

PBX 9502 is een ongevoelig hoog explosief dat veel wordt gebruikt in de Amerikaanse nucleaire afschrikking. Hoge explosieven worden gebruikt om de nucleaire "primaire" naar een kritische massa te drijven, het initiëren van een nucleaire ontploffing. Ongevoelige explosieven zijn zeer moeilijk per ongeluk tot ontploffing te brengen, en worden als uiterst veilig beschouwd. Echter, het exacte chemische proces van energieoverdracht is nog grotendeels onbekend. Onderzoekers ontdekten dat het creëren van koolstofclusters veel sneller gaat dan eerder werd gedacht, en de samenstelling van de koolstof is heel anders dan werd aangenomen.

"Een onverwachte en belangrijke bevinding van dit onderzoek was de verhouding tussen grafiet en diamant, afgeleid door het röntgencontrast van de verstrooiingsmetingen, " zei Dattelbaum. "Bij het tot ontploffing brengen van de op TATB gebaseerde PBX 9502, we ontdekten dat ongeveer 80 procent grafiet en 20 procent diamant werd gevormd toen we verwachtten een veel hoger percentage diamantachtige koolstof te zien."

De producten van ontploffing, de dynamiek van de deeltjesgrootte en het type geproduceerde koolstof kunnen rechtstreeks verband houden met het type explosief, en het verbeteren van computermodellen met explosieve prestaties, wat leidt tot een beter voorspellend vermogen bij het waarborgen van de veiligheid, veiligheid, en effectiviteit van de Amerikaanse nucleaire afschrikking.

Analyse van de röntgenverstrooiingsgegevens van TRSAXS onthulde een snelle initiële groei van koolstofclusters binnen 200 nanoseconden achter het schokgolffront in het explosieve monster van drie gram. Analyse van teruggewonnen producten toonde aan dat de deeltjesgrootte een diameter van 8,4 nanometer niet overschreed en die deeltjesgrootte bevestigde dat de deeltjesgroei na 200 nanoseconden voor deze ladingsgrootte niet doorging.

"Wat we echt proberen te doen, is begrijpen hoe dit proces in de loop van de tijd evolueert, " Zei Dattelbaum, "zodat we de snelheid en energie die door een bepaald explosief wordt geleverd beter kunnen voorspellen."