Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Energetic Materials Center och Purdue University Materials Engineering Department har använt simuleringar utförda på LLNL superdator Quartz för att avslöja en allmän mekanism som accelererar kemin vid detonerande sprängämnen som är avgörande för att hantera landets kärnlager. Deras forskning finns med i numret av den 15 juli av Journal of Physical Chemistry Letters .
Okänsliga högexplosiva ämnen baserade på TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobensen) erbjuder förbättrade säkerhetsegenskaper jämfört med mer konventionella sprängämnen, men fysiska förklaringar till dessa säkerhetsegenskaper är inte tydliga. Explosiv initiering förstås uppstå från hotspots som bildas när en stötvåg interagerar med mikrostrukturella defekter såsom porer. Ultrasnabb komprimering av porer leder till en intensiv lokaliserad temperaturökning, vilket accelererar kemiska reaktioner som behövs för att initiera bränning och slutligen detonation. Tekniska modeller för okänsliga högexplosiva ämnen – som används för att bedöma säkerhet och prestanda – är baserade på hotspot-konceptet men har svårt att beskriva ett brett spektrum av förhållanden, vilket indikerar saknad fysik i dessa modeller.
Med hjälp av storskaliga atomärt lösta superdatorsimuleringar av reaktiv molekyldynamik, försökte teamet direkt beräkna hur hotspots bildas och växer för att bättre förstå vad som får dem att reagera.
Kemiska reaktioner accelererar i allmänhet när temperaturen höjs, men det finns andra potentiella mekanismer som kan påverka reaktionshastigheterna.
"Nya simuleringar av molekylär dynamik har visat att områden med intensiv plastisk deformation, såsom skjuvband, kan stödja snabbare reaktioner", förklarade LLNL-författaren Matthew Kroonblawd. "Liknande accelererade hastigheter observerades också i de första reaktiva molekylära dynamiska simuleringarna av hotspots, men orsakerna till de accelererade reaktionerna i skjuvband och hotspots var oklara."
Den största fördelen och prediktiva kraften med simuleringar av molekylär dynamik kommer från deras fullständiga upplösning av alla atomrörelser under en dynamisk händelse.
"Dessa simuleringar genererar enorma mängder data, vilket kan göra det svårt att härleda allmänna fysiska insikter om hur atomrörelser styr det kollektiva materiella svaret", säger Ale Strachan från Purdue University.
För att bättre kunna hantera detta big data-problem vände sig teamet till moderna dataanalystekniker. Genom klustringsanalys fann teamet att två molekylära tillståndsdeskriptorer var kopplade till kemiska reaktionshastigheter. En av dessa är temperaturen, som är välkänd från traditionell termokemi. Den andra viktiga deskriptorn är ett nyligen föreslagit mått för energin som är associerad med deformationer av molekylform, det vill säga den intramolekylära töjningsenergin.
"Vid omgivningsförhållanden antar TATB-molekyler en plan form", säger Brenden Hamilton från Purdue University, "och denna form leder till en mycket elastisk kristallpackning som tros vara kopplad till TATB:s ovanliga okänslighet."
Teamets klustringsanalys visade att molekyler i en hotspot som drivs från sin plana jämviktsform reagerar snabbare; mekaniska deformationer av molekyler i områden med intensivt plastmaterialflöde leder till en mekanokemisk acceleration av hastigheter.
Mekaniskt driven kemi (mekanokemi) är känd för att fungera i många system, allt från precisionsmanipulation av bindningar genom atomkraftsmikroskopi "pincett" till industriell skala kulfräsning.
Mekanokemin som verkar i chockade sprängämnen utlöses inte direkt, utan är resultatet av en komplicerad kaskad av fysikaliska processer som startar när en chock inducerar plastmaterialdeformationer.
"Vi särskiljer den här typen av process - där mekanokemi är en nedströms konsekvens av en lång kedja av händelser - som extemporär mekanokemi," sa Hamilton, och "detta står i kontrast till den mer allmänt studerade överlagda mekanokemin där den initiala stimulansen direkt inducerar en mekanokemi. reaktion."
Arbetet ger tydliga bevis för att mekanokemi av deformerade molekyler är ansvarig för att accelerera reaktioner i hotspots och i andra områden av plastisk deformation, såsom skjuvband.
"Detta arbete ger en kvantitativ koppling mellan hotspot-tändningskemi och den senaste 2020 LLNL-upptäckten av skjuvbandsantändning, vilket ger en fast grund för att formulera mer allmänna fysikbaserade explosiva modeller," sa Kroonblawd. "Att inkludera mekanokemiska effekter i explosiva modeller kommer att förbättra deras fysiska grund och möjliggöra systematiska förbättringar för att bedöma prestanda och säkerhet exakt och tillförlitligt." + Utforska vidare
