Twee wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een nieuw ontstekingsmechanisme voor explosieven ontdekt dat de ongebruikelijke detonatie-eigenschappen van 1 verklaart. 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzeen (TATB).

Het onderzoek zal systematische verbeteringen mogelijk maken aan continuümmechanica-modellen die worden gebruikt om de prestaties en veiligheid van het materiaal nauwkeurig en betrouwbaar te beoordelen.

Zeer ongevoelige explosieven bieden sterk verbeterde veiligheidseigenschappen ten opzichte van meer conventionele explosieven, maar de fysieke eigenschappen die verantwoordelijk zijn voor de veiligheidskenmerken zijn niet duidelijk. Onder explosieven, TATB is bijna uniek in zijn afwegingen tussen veiligheid en energie.

Technische modellen voor schokinitiatieveiligheid en detonatieprestaties van explosieven zijn gebaseerd op natuurkundige modellen die zich richten op de vorming en groei van hotspots (lokale gebieden met verhoogde temperatuur die chemische reacties versnellen) waarvan wordt aangenomen dat ze deze reacties beheersen. Echter, modellen voor TATB op basis van het hot spot-concept zijn tot nu toe niet in staat geweest om zowel initiatie- als detonatieregimes tegelijkertijd te beschrijven. Dit wijst op ontbrekende fysica in het fundamentele begrip van welke processen ongevoelige explosieven tot ontploffing brengen.

Om deze ontbrekende fysica te ontdekken, het team gebruikte supercomputersimulaties waarbij vele miljoenen atomen betrokken waren om te kijken naar de materiële respons direct achter een detonatieschokgolf. Wat ze vonden was de dynamische vorming van een ingewikkeld netwerk van afschuifbanden in het materiaal. Afschuifbanden zijn lokale gebieden van zeer ongeordend materiaal die worden geproduceerd wanneer het materiaal onder extreme spanningen bezwijkt. Hoewel de reactie niet geheel onverwacht was, het was onduidelijk wat het inhield.

"Er wordt voorspeld en waargenomen dat ze zich in veel explosieven vormen, maar de chemische betekenis van hun vorming is niet goed bekend, " zei LLNL-wetenschapper Larry Fried, een van de auteurs van het artikel. Ondanks deze onzekerheid de wetenschappers dachten dat ze een aanwijzing hadden voor de ontbrekende natuurkunde.

Het beantwoorden van vragen over de chemische reactiviteit van afschuifbanden vereiste een beroep op quantum-gebaseerde moleculaire dynamica (QMD) simulatiebenaderingen en high performance computing. "De grootste uitdaging met QMD is dat het alleen kan worden toegepast op kleine systemen, dus ontwikkelden we een meerschalige modelleringstechniek om te kijken naar de chemie van shear band en kristalgebieden in representatieve volume-elementen, " legde Matt Kroonblad uit, hoofdauteur van het onderzoek.

Door schaaloverbrugging met QMD, het team ontdekte dat ongeordend materiaal in afschuifbanden chemisch wordt geactiveerd. De banden worden gevormd in sterk geschokte TATB en reageren 200 keer sneller dan het kristal, wat een fysieke verklaring geeft voor waarom technische modellen empirische "schakelfuncties" nodig hadden om tussen schokinitiatie- en ontploffingssituaties te gaan.

De wetenschappers beschrijven dit nieuw ontdekte fenomeen als "chemische activering door shear banding, " wat leidt tot verhoogde reactiesnelheden zonder de lokale verwarming die typisch wordt opgeroepen door het hot spot-paradigma. Het vastleggen van deze reactie in explosievenmodellen zal hun fysieke basis verbeteren en systematische verbeteringen mogelijk maken om de prestaties en veiligheid nauwkeuriger en betrouwbaarder te beoordelen.

Het onderzoek verschijnt in de online editie van 22 mei van: Fysieke beoordelingsbrieven .