Sprängämnen har ett inneboende problem - de ska vara helt säkra för hantering och lagring men detonerar tillförlitligt vid behov. Med hjälp av datormodellering och en ny molekyldesignteknik, Forskare vid Los Alamos National Laboratory har bytt ut en "arm" av en explosiv molekyl för att hjälpa till att reda ut de första stegen i detonationsprocessen och bättre förstå dess känslighet - hur lätt den börjar en våldsam reaktion.

"Det började med, kan vi ta ett vanligt initierande explosivt PentaErythritol TetraNitrate (PETN) och ersätta delar av det för att ändra känslighetsegenskaper, ", sade sprängämneskemist Virginia Manner. "Så vi bytte ut en arm av PETN med olika icke-energetiska grupper för att se hur de olika grupperna kunde förändra känsligheten hos den övergripande molekylen. Det här är första gången vi har tagit ett grundläggande system som detta och ändrat olika delar av det för att se hur det kan påverka känsligheten."

Forskningen publicerades idag i Kemisk vetenskap "flaggskeppstidskriften" för Royal Society of Chemistry.

Forskarna kunde ändra känsligheten hos materialen av PETN-typ, gör dem både mindre känsliga och mer känsliga. PETN uppfanns i Tyskland 1894, är ett av de kraftfullare explosiva materialen, och används vanligtvis endast i små mängder på grund av dess relativt höga känslighet.

En annan ny metod för denna forskning är det nära samarbetet mellan kemister och datormodellerare vid Los Alamos.

"För ungefär tre år sedan insåg jag att en del modellering verkligen skulle hjälpa, " sa Manner. "Så jag bad Marc Cawkwell att arbeta med mig och insåg att vi hade helt olika idéer om vad som gjorde sprängämnen känsliga. Jag trodde att det bara var grundläggande kemi och han trodde att det är de mekaniska egenskaperna som styr om ett sprängämne är okänsligt eller känsligt. Under arbetets gång övertygade vi varandra långsamt om att vi båda hade fel! "

"Eller snarare, delvis rätt! "tillade Cawkwell.

Med hjälp av en datorkod för molekylär dynamik skriven i Los Alamos kallad "LATTE" kan Cawkwell modellera framställningen och brytningen av kemiska bindningar i sprängämnen mycket exakt.

"Kemin kommer från den elektroniska strukturen hos en molekyl, ", sa Cawkwell. "Med LATTE kan vi exakt beräkna energin hos en molekyl och kraften på varje atom från dess elektroniska struktur, vilket gör att vi kan sprida positionerna för alla atomer framåt i tiden och låta systemet utvecklas. Om temperaturen och trycket är tillräckligt högt ser vi en kaskad av kemi som initierar en explosion. "

Modelleringen används sedan för att tolka experiment i form av ett nedgångstest, för att se om ett nysyntetiserat sprängämne initieras lätt (känsligt) eller kräver mer kraft (okänsligt) för att explodera.

Vad modelleringen ger är en mycket djupare förståelse av de underliggande processerna i en detonation. "Det tillät oss verkligen att förstå dessa ganska enkla fallviktsexperiment i utsökta atomistiska detaljer, "sa Cawkwell." Till exempel, den "upplösande" reaktionen i PETN som identifierades av vår kollega Ed Kober från LATTE-simuleringarna var något som ingen av oss kunde förutse."

"Det slutliga målet är att se om vi kan förutsäga justering av sprängämnen, "sa Manner." I framtiden kommer människor att vilja veta, hur kan vi göra sprängämnen mer eller mindre säkra eller känsliga, särskilt för tillämpningar för kärnkraftslager. I allmänhet, människor tittar bara på dessa sprängämnen som har funnits i 100 år eller mer och försöker förstå dem. Så vi tänkte om vi kan skapa ett system där vi systematiskt ställer in känsligheten, där vi verkligen förstår de molekylära egenskaper som påverkar initiering mest, då kan vi vägleda utvecklingen av nya sprängämnen i framtiden."