Legerwetenschappers bewezen een decennia-oude voorspelling dat het mengen van TNT en nieuwe aluminium nanodeeltjes de energetische prestaties aanzienlijk kan verbeteren. Deze explosieve ontdekking zal naar verwachting het bereik van de vuurkracht van het Amerikaanse leger in de strijd vergroten.

Onderzoekers van het Amerikaanse legeronderzoekslaboratorium en de Texas Tech University hebben tot 30 procent verbetering in de ontploffingssnelheid van de explosieve TNT aangetoond door nieuwe aluminium nanodeeltjes toe te voegen waarin de oorspronkelijke aluminiumoxide-omhulling is vervangen door een oxiderend zout genaamd AIH, of aluminiumjodaathexahydraat.

De structuur van de AIH-gecoate aluminium nanodeeltjes werd voor het eerst onthuld door middel van hoge resolutie transmissie-elektronen (TEM) microscopie uitgevoerd door Dr. Chi-Chin Wu van ARL, een materiaalonderzoeker die het plasmaonderzoek leidt voor de Energetic Materials Science Branch van het lab in de Lethality Division of Weapons and Materials Research Directorate.

Wu zei dat dit revolutionaire onderzoek het potentieel biedt voor de exploitatie van aluminium en mogelijk andere metalen nanodeeltjes in explosieve formuleringen om het bereik en de vernietigende kracht van wapensystemen van het leger te vergroten. een hoofddoel van de moderniseringsprioriteit van het leger "Long Range Precision Fires".

"Wij geloven dat deze resultaten een enorme belofte inhouden voor het voor het eerst verbeteren van de detonatieprestaties van conventionele militaire explosieven met aluminium nanodeeltjes, " zei Dr. Jennifer Gottfried van ARL, een fysisch chemicus die meewerkte aan het onderzoek.

"Het is heel opwindend om de wetenschap vooruit te helpen naar een punt waarop we meer chemische energie uit metaaldeeltjes kunnen halen op snellere tijdschalen. Dit is een opwindende tijd voor het transformeren van technologie voor energieopwekking, " zei Dr. Michelle L. Pantoya, de J.W. Wright Regents Chair in Mechanical Engineering en professor aan de Texas Tech University.

Details van dit baanbrekende werk worden beschreven in het op 28 mei gepubliceerde artikel van het team "Improving the Explosive Performance of Aluminium Nanoparticles with Aluminium Iodate Hexahydrate (AIH)" door Jennifer L. Gottfried, Dylan K. Smith, Chi Chin Wu, en Michelle L. Pantoya in het high-impact tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Het team ontdekte dat de kristallijne aluminiumkern effectief werd beschermd tegen ongewenste oxidatie door de AIH-schaal, die verschijnt als uitstekende knobbeltjes op het aluminium oppervlak. De verbeterde reactiviteit als gevolg van dit unieke morfologische kenmerk en de nieuwe kern-schaalstructuur werd aangetoond door laser-geïnduceerde luchtschok van experimenten met energetische materialen, een innovatieve energetische testmethode op laboratoriumschaal ontwikkeld door Gottfried. Deze techniek omvat het beïnvloeden van het monster met een hoogenergetische, gerichte laserpuls om de explosieve moleculen met geweld uit elkaar te halen. De interactie van de laser met het materiaal vormt een laser-geïnduceerd plasma en produceert een schokgolf die zich uitbreidt in de omringende lucht. De energie die vrijkomt uit een explosief monster kan vervolgens experimenteel worden bepaald door de laser-geïnduceerde schoksnelheid te meten met een hogesnelheidscamera.

Decennia geleden werd voorspeld dat aluminium nanodeeltjes het potentieel hebben om de energetische prestaties van explosieven en drijfgassen te verbeteren vanwege hun hoge energie-inhoud en potentieel voor snelle verbranding. Dit komt omdat ze uitzonderlijk grote oppervlakten hebben in vergelijking met hun totale volume en een zeer grote reactiewarmte. Echter, het oppervlak van de aluminium nanodeeltjes is natuurlijk geoxideerd in de lucht om een ​​dikke aluminiumoxide schaal te vormen, typisch 20 gew.%, die niet alleen de energie-inhoud van de nanodeeltjes verlaagt door de hoeveelheid actief aluminium te verminderen, het vertraagt ​​ook de snelheid van het vrijkomen van energie omdat het fungeert als een barrière voor de reactie van het aluminium met het explosief. Daarom, het vervangen van de oxideschaal, zoals met succes bereikt door TTU, kan de explosieve prestaties aanzienlijk verbeteren.

Deze voorlopige gezamenlijke inspanningen hebben ook geleid tot een formele onderzoekssamenwerking onder een ARL Director's Research Award, het fiscale 2018 Externe Samenwerkingsinitiatief tussen Wu en TTU.

Na het publiceren van twee artikelen in wetenschappelijke tijdschriften met grote impact in het afgelopen jaar, het team is klaar om aanvullend energetisch onderzoek met aluminium nanodeeltjes voort te zetten door samen te werken met het Amerikaanse legeronderzoek, Development and Engineering Command bij Picatinny Arsenal, New Jersey, en het onderzoekslaboratorium van de luchtmacht.