Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben in samenwerking met University of Nevada Las Vegas (UNLV) een voorheen onbekende drukgeïnduceerde faseovergang voor TATB ontdekt die kan helpen de detonatieprestaties en veiligheid van het explosief te voorspellen. Het onderzoek verschijnt in de online editie van 13 mei van de Technische Natuurkunde Brieven en het wordt gemarkeerd als een omslag en een uitgelicht artikel.

1, 3, 5-Triamino-2, 4, 6- trinitrobenzeen (TATB), de industriestandaard voor een ongevoelig hoog explosief, onderscheidt zich als de optimale keuze wanneer veiligheid (ongevoeligheid) van het grootste belang is. Onder vergelijkbare materialen met vergelijkbare explosieve energieafgifte, TATB is opmerkelijk moeilijk te shockeren en heeft een lage wrijvingsgevoeligheid. De oorzaken van dit ongewone gedrag zijn verborgen in de hogedruk-structurele evolutie van TATB. Supercomputersimulaties van ontploffende explosieven, draaien op 's werelds krachtigste machines bij LLNL, afhankelijk zijn van het kennen van de exacte locaties van de atomen in de kristalstructuur van een explosief. Nauwkeurige kennis van atomaire rangschikking onder druk is de hoeksteen voor het voorspellen van de detonatieprestaties en veiligheid van een explosief.

Het team voerde experimenten uit met behulp van een diamanten aambeeldcel, die TATB-eenkristallen tot een druk van meer dan 25 GPa (250, 000 keer atmosferische druk). Volgens alle eerdere experimentele en theoretische studies, men geloofde dat de atomaire rangschikking in de kristalstructuur van TATB hetzelfde blijft onder druk. Het projectteam betwistte de consensus in het veld om het structurele hogedrukgedrag van TATB te verduidelijken.

De belangrijkste experimentele uitdaging was de extreem lage symmetrie kristalstructuur van TATB, waardoor conventionele röntgendiffractietechnieken voor diamanten aambeeldcellen niet haalbaar zijn. In plaats daarvan, het experimentele team gebruikte monokristallijne röntgendiffractie onder druk, voor het eerst in het geval van een organisch materiaal met een lage symmetrie, zoals TATB.

"De kwestie van faseovergangen in gecomprimeerde TATB wordt al tientallen jaren besproken. We waren er zeker van dat onze aanpak dit probleem uiteindelijk zou oplossen, maar het was veel uitdagender om het antwoord te vinden dan we hadden verwacht, " zei Oliver Tschauner, een professor in de afdeling geowetenschappen aan de UNLV.

Verrassend genoeg, de experimentele resultaten onthulden een voorheen onbekende overgang naar een monokliene fase met hogere symmetrie boven 4 GPa. Dankzij de experimentele resultaten kon het team de basiskenmerken (roosterparameters en celvolume) van de hogedrukkristalstructuur en de toestandsvergelijking (dichtheid als functie van druk) boven de faseovergang bepalen. Echter, het team stopte niet op dit punt

"Hoewel de experimentele resultaten ons in staat stelden om belangrijke correcties toe te passen op de TATB-toestandsvergelijking, we waren vastbesloten om nog een stap verder te gaan en de aard van de faseovergang en de exacte structuur van de hogedrukfase te begrijpen, " legde Elissaios Stavrou uit, een staflid in de Material Science Division bij LLNL.

Om de hogedrukfase te helpen ontrafelen, LLNL-theoretici gebruikten een evolutionair structureel zoekalgoritme (USPEX) dat helpt bij het verkennen van de hogedrukstructuren van TATB. De theoretische resultaten bevestigden niet alleen de experimentele bevindingen, maar verduidelijkten ook de exacte structuur van de hogedrukfase.

"Bijna alles aan een materiaal kan worden afgeleid uit de kristalstructuur, " zei Brad Steele, een postdoctoraal wetenschapper in de Material Science Division bij LLNL en hoofdauteur van het onderzoek. "In dit artikel laten we zien dat we de kristalstructuur kunnen voorspellen, zelfs voor een groot/gecompliceerd energetisch materiaal zoals TATB. De gebruikte methoden hebben veel potentiële toepassingen op het gebied van materiaalwetenschap."

Op basis van de USPEX-resultaten, het team stelde vast dat de faseovergang een door druk geïnduceerde verschuiving in het vlak van de grafietachtige lagen van TATB-moleculen in de omgevingsdrukfase omvat.

Matthew Kroonblad, een medewerker van de afdeling Material Science van LLNL, verder uitgelegd:"TATB is notoir moeilijk te modelleren, maar we waren in staat om de oude en nieuwe fasen met elkaar in verband te brengen met behulp van algemene rekenhulpmiddelen die we speciaal voor deze gecompliceerde moleculaire materialen hebben ontwikkeld. Deze nieuwe fase lost vermoedens op die sinds de jaren zeventig hebben bestaan."

Het team is van plan dezelfde combinatie van ultramoderne experimentele en theoretische technieken te gebruiken om mogelijke faseovergangen in andere energetische materialen te ontdekken. Echter, de methodologie die in deze studie wordt gebruikt, is niet beperkt tot energetische materialen en vergroot het vermogen van het team om de kristalstructuren en stoichiometrieën onder variabele thermodynamische omstandigheden aanzienlijk te onthullen.