Explosieven hebben een inherent probleem:ze moeten volkomen veilig zijn voor hantering en opslag, maar op verzoek betrouwbaar ontploffen. Met behulp van computermodellering en een nieuwe techniek voor het ontwerpen van moleculen, wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory hebben een "arm" van een explosief molecuul vervangen om de eerste stappen in het ontploffingsproces te helpen ontrafelen en de gevoeligheid ervan beter te begrijpen - hoe gemakkelijk het een gewelddadige reactie begint.

"Het begon met kunnen we een gemeenschappelijk initiërend explosief PentaErythritol TetraNitrate (PETN) nemen en delen ervan vervangen om de gevoeligheidseigenschappen te veranderen, "Zei explosievenchemicus Virginia Manner. "Dus hebben we een arm van PETN vervangen door verschillende niet-energetische groepen om te zien hoe die verschillende groepen de gevoeligheid van het totale molecuul konden veranderen. Dit is de eerste keer dat we een fundamenteel systeem als dit hebben genomen en verschillende delen ervan hebben veranderd om te zien hoe het de gevoeligheid kan beïnvloeden."

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Chemische Wetenschappen het "vlaggenschiptijdschrift" voor de Royal Society of Chemistry.

De onderzoekers waren in staat om de gevoeligheid van de PETN-achtige materialen te veranderen, waardoor ze zowel minder gevoelig als gevoeliger worden. PETN werd in 1894 in Duitsland uitgevonden, is een van de krachtigste explosieve materialen, en wordt doorgaans alleen in kleine hoeveelheden gebruikt vanwege de relatief hoge gevoeligheid.

Een andere nieuwe benadering van dit onderzoek is de nauwe samenwerking tussen scheikundigen en computermodelleurs in Los Alamos.

"Ongeveer drie jaar geleden realiseerde ik me dat wat modellenwerk echt zou helpen, " zei Manner. "Dus ik vroeg Marc Cawkwell om met mij samen te werken en realiseerde me dat we totaal verschillende ideeën hadden over wat explosieven gevoelig maakte. Ik dacht dat het allemaal gewoon fundamentele chemie was en hij dacht dat het de mechanische eigenschappen zijn die bepalen of een explosief ongevoelig of gevoelig is. In de loop van dit werk hebben we elkaar er langzaam van overtuigd dat we allebei ongelijk hadden!"

"Of liever, gedeeltelijk gelijk!" voegde Cawkwell eraan toe.

Met behulp van een computercode voor moleculaire dynamica, geschreven in Los Alamos, genaamd "LATTE", kan Cawkwell het maken en verbreken van chemische bindingen in explosieven zeer nauwkeurig modelleren.

"De chemie komt van de elektronische structuur van een molecuul, " zei Cawkwell. "Met LATTE kunnen we nauwkeurig de energie van een molecuul en de kracht op elk atoom berekenen uit zijn elektronische structuur, waardoor we de posities van alle atomen vooruit in de tijd kunnen voortplanten en het systeem laten evolueren. Als de temperatuur en druk hoog genoeg zijn, zien we een cascade van chemie die een explosie in gang zet."

De modellering wordt vervolgens gebruikt om experimenten te interpreteren in de vorm van een valgewicht-impacttest, om te zien of een nieuw gesynthetiseerd explosief gemakkelijk initieert (gevoelig) of meer kracht vereist (ongevoelig) om te exploderen.

Wat de modellering biedt, is een veel dieper begrip van de onderliggende processen bij een ontploffing. "Het stelde ons echt in staat om deze vrij eenvoudige experimenten met druppelgewicht in voortreffelijke atomistische details te begrijpen, "zei Cawkwell. "Bijvoorbeeld, de 'openritsende' reactie in PETN die werd geïdentificeerd door onze collega Ed Kober uit de LATTE-simulaties was iets dat geen van ons beiden kon voorzien."

"Het uiteindelijke doel is om te zien of we explosieven voorspellend kunnen afstemmen, "zei Manner. "In de toekomst zullen mensen willen weten, hoe kunnen we explosieven min of meer veilig of gevoelig maken, in het bijzonder voor toepassingen van nucleaire voorraden. In het algemeen, mensen kijken alleen maar naar deze explosieven die al 100 jaar of langer bestaan ​​en proberen ze te begrijpen. Dus we dachten dat als we een systeem kunnen maken waarbij we systematisch de gevoeligheid afstemmen, waar we echt de moleculaire eigenschappen begrijpen die de initiatie het meest beïnvloeden, dan kunnen we in de toekomst de ontwikkeling van nieuwe explosieven begeleiden."