Onderzoek uitgevoerd op de supercomputer Quartz van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) belicht bevindingen van wetenschappers die een ontbrekend aspect van de fysica van hotspots in TATB onthullen (1, 3, 5-trimamino-2, 4, 6-trinitrobenzeen) en andere explosieven.

Hotspots zijn gelokaliseerde gebieden met verhoogde temperatuur die ontstaan ​​door schokgeïnduceerde ineenstorting van microstructurele porositeit en waarvan bekend is dat ze de schokinitiatie en detonatie-eigenschappen van explosieven regelen. Het belangrijkste concept achter hotspots is dat lokale verhoogde temperaturen de lokale chemie versnellen.

Het onderzoek is te zien in het 11 maart nummer van de Journal of Physical Chemistry Letters en was een samenwerking tussen LLNL en Purdue University. Auteurs zijn onder meer Matthew Kroonblawd van LLNL en Brenden Hamilton, Chunyu Li en Alejandro Strachan uit Purdue.

Het werk belicht een verwaarloosd fysiek aspect van de vroege stadia van hotspotvorming en -evolutie dat een route biedt om multifysische modellen van schokinitiatie en detonatie die worden gebruikt om prestaties en veiligheid te beoordelen systematisch te verbeteren.

"Een van de meest raadselachtige resultaten van vroege reactieve moleculaire dynamica-simulaties is dat hotspots gevormd bij ingeklapte poriën veel sneller reageren dan hotspots van vergelijkbare grootte, temperatuur en druk in het stortgoed, ' zei Strachan. 'Terwijl hij herkend werd, de reden achter deze verschillen werd niet begrepen. Onze studie lost deze vraag op doordat we ontdekken dat het explosieve materiaal in een ingeklapte porie fundamenteel verschilt van de bulk en dat het zich in een staat met hoge energie bevindt die klaar is voor chemische reacties."

Belang van het begrijpen van hotspots

TATB is een ongevoelig hoog explosief dat cruciaal is voor de nucleaire voorraad van het land en het is een uitdaging om op continuümschaal te modelleren. Technische modellen voor explosieve veiligheid en detonatieprestaties zijn gebaseerd op natuurkundige modellen die zich richten op de vorming en groei van hotspots.

Kroonblawd legde uit dat "multifysische modellen op continuümniveau die worden gebruikt om veiligheid en prestaties te beoordelen, zeer empirisch zijn, wat het moeilijk maakt om explosieve modellen te maken die overdraagbaar zijn naar verschillende toepassingsomstandigheden. Het ontbreken van overdraagbare modellen geldt met name voor ongevoelige explosieven zoals TATB. Het is nog steeds niet mogelijk om een ​​explosief model te bouwen vanuit de eerste principes, wat aangeeft dat belangrijke aspecten ontbreken in ons begrip van fysica en chemie van hotspots."

Deze modellen zijn gebaseerd op nauwkeurige behandelingen van chemische reactiviteit en thermisch transport; of hotspots zullen groeien en samensmelten tot een detonatiegolf wordt bepaald door een competitie tussen de snelheid van warmteontwikkeling als gevolg van chemie en warmteverlies als gevolg van thermische geleiding.

Het identificeren van de oorzaak achter verschillen in reactiesnelheid van hotspots geeft een pad naar het formuleren van meer algemene explosieve modellen die hun voorspellende nauwkeurigheid en overdraagbaarheid zullen verbeteren. Hoewel deze modellen zich doorgaans hebben gericht op temperatuur als de belangrijkste variabele die de chemie regelt, de bevindingen suggereren dat het herschikken van deze modellen in termen van de potentiële energie een meer algemene behandeling zal opleveren die de verschillende reactiviteiten van verschillende materiële toestanden kan onderscheiden.

Door moleculaire dynamica-simulaties van alle atomen, de onderzoekers ontdekten dat hotspots niet alleen regio's zijn met gelokaliseerde kinetische energie (of temperatuur), maar zijn ook regio's van gelokaliseerde potentiële energie. De hoeveelheid potentiële energie is veel groter dan de hoeveelheid kinetische energie en het is geconcentreerd in moleculaire modi die relevant zijn voor chemische ontbinding.

De potentiële energielokalisatie manifesteert zich als gevolg van spanningen op moleculair niveau in plastisch vervormde delen van het materiaal en dit zal leiden tot een mechanochemische versnelling van reacties.

"De belangrijkste conclusie is dat er geen één-op-één relatie is tussen kinetische en potentiële energie in deze systemen, Vandaar, men kan geen lokale reactiesnelheden afleiden uit alleen het temperatuurveld, ' zei Hamilton.

Team voert grootschalige simulaties uit

Het werk, uitgevoerd door medewerkers van de Materials Science Division in het LLNL Energetic Materials Centre (EMC) en de Materials Engineering Department in Purdue, werd ondersteund door LLNL's Laboratory Directed Research and Development Strategic Initiative Program met Lara Leininger, EMC-directeur, als hoofdonderzoeker. Het werk omvatte het uitvoeren van grootschalige simulaties van alle atomen op de Livermore Computing machine Quartz, en deze simulaties werden uitgevoerd met behulp van rekentijd die werd toegekend via de Computational Grand Challenge van LLNL.

Om de langdurige relaxatie-eigenschappen van de kinetische en potentiële energie in hotspots te bestuderen, het team ontwikkelde een nieuwe methode genaamd Shock Trapping Internal Boundaries.

"Over het algemeen, schoksimulaties zijn beperkt in de tijd tot wanneer een schokgolf de stroomafwaartse simulatiegrens bereikt, die toestandsveranderende reflectiegolven genereert, Hamilton zei. "In onze methode, we kunnen de hotspot isoleren, of een interessegebied, voorkomen dat reflecties ermee in wisselwerking staan ​​​​om een ​​​​continue studie van de tijdsevolutie mogelijk te maken."

Hierdoor kon het team de snelheden voor relaxatie van kinetische en potentiële energie kwantificeren om te bepalen dat de potentiële energie van de hotspot aanhoudt nadat thermische geleiding de kinetische energie heeft verdreven.

Moleculaire dynamische simulaties voorspellen dat er meer potentiële energie is gelokaliseerd in hotspots dan hun kinetische energie (of temperatuur) zou suggereren. Overtollige potentiële energie is gekoppeld aan aanhoudende gespannen moleculaire toestanden die zijn voorbereid op chemische reacties en verklaren waarom hotspots sneller reageren dan de bulk.