Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare i samarbete med University of Nevada Las Vegas (UNLV) har upptäckt en tidigare okänd tryckinducerad fasövergång för TATB som kan hjälpa till att förutsäga detonationens prestanda och explosivitetens säkerhet. Forskningen visas i den 13 maj onlineutgåvan av Tillämpad fysikbokstäver och det markeras som ett omslag och en artikel.

1, 3, 5-Triamino-2, 4, 6- trinitrobensen (TATB), branschstandarden för ett okänsligt högexplosivt, framstår som det optimala valet när säkerhet (okänslighet) är av yttersta vikt. Bland liknande material med jämförbar explosiv energiutsläpp, TATB är anmärkningsvärt svårt att chockinitiera och har en låg friktionskänslighet. Orsakerna till detta ovanliga beteende är dolda i högtrycksstrukturutvecklingen av TATB. Superdator simuleringar av sprängämnen som detonerar, körs på världens mest kraftfulla maskiner på LLNL, beror på att känna till de exakta platserna för atomerna i kristallstrukturen hos ett sprängämne. Noggrann kunskap om atomarrangemang under tryck är hörnstenen för att förutsäga detonationens prestanda och säkerhet för ett sprängämne.

Teamet utförde experiment med att använda en diamantstamcell, som komprimerade TATB -enkristaller till ett tryck på mer än 25 GPa (250, 000 gånger atmosfärstryck). Enligt alla tidigare experimentella och teoretiska studier, man trodde att atomarrangemanget i kristallstrukturen hos TATB förblir densamma under tryck. Projektteamet utmanade konsensus inom området för att tydliggöra högtrycksstrukturellt beteende hos TATB.

Den största experimentella utmaningen var den extremt låga symmetri -kristallstrukturen hos TATB, att göra konventionella röntgendiffraktionstekniker för diamantstädceller inte genomförbara. Istället, det experimentella teamet använde enkristallröntgendiffraktion under tryck, för första gången när det gäller ett organ med låg symmetri som TATB.

"Frågan om fasövergångar i komprimerad TATB har diskuterats i årtionden. Vi var säkra på att vårt tillvägagångssätt så småningom skulle lösa detta problem - men det var mycket mer utmanande att hitta svaret än vi hade förväntat oss, "sa Oliver Tschauner, professor vid institutionen för geovetenskap vid UNLV.

Förvånande, de experimentella resultaten avslöjade en tidigare okänd övergång till en monoklinisk fas med högre symmetri över 4 GPa. De experimentella resultaten gjorde det möjligt för laget att bestämma de grundläggande egenskaperna (gitterparametrar och cellvolym) för högtrycks-kristallstrukturen och statens ekvation (densitet som funktion av tryck) över fasövergången. Dock, laget slutade inte vid det här laget

"Även om de experimentella resultaten tillät oss att tillämpa viktiga korrigeringar på TATB -statens ekvation, vi var fast beslutna att gå ett steg längre och förstå fasövergångens art och högtrycksfas exakta struktur, "förklarade Elissaios Stavrou, en anställd inom Material Science Division vid LLNL.

För att avveckla högtrycksfasen, LLNL-teoretiker använde en evolutionär strukturell sökalgoritm (USPEX) som hjälper till att utforska högtrycksstrukturerna hos TATB. De teoretiska resultaten bekräftade inte bara de experimentella resultaten utan klargjorde också den exakta strukturen för högtrycksfasen.

"Nästan allt om ett material kan härledas från dess kristallstruktur, sa Brad Steele, en postdoktor vid Material Science Division vid LLNL och huvudförfattare till forskningen. "I detta dokument visar vi att vi kan förutsäga kristallstrukturen även för ett stort/komplicerat energiskt material som TATB. Metoderna som används har många potentiella tillämpningar inom materialvetenskap."

Baserat på USPEX -resultaten, laget bestämde att fasövergången innefattar ett tryckinducerat in-plan-skift av de grafitliknande skikten av TATB-molekyler i omgivningstrycksfasen.

Matthew Kroonblawd, en anställd inom Material Science Division vid LLNL, förklarade vidare:"TATB är notoriskt svårt att modellera, men vi kunde relatera de gamla och nya faserna med hjälp av generaliserade beräkningsverktyg som vi utvecklat specifikt för dessa komplicerade molekylära material. Denna nya fas löser gissningar som har bestått sedan 1970 -talet. "

Teamet planerar att använda samma kombination av toppmoderna experimentella och teoretiska tekniker för att upptäcka möjliga fasövergångar i andra energiska material. Dock, metoden som används i denna studie är inte begränsad till energimaterial och utökar avsevärt teamets förmåga att avslöja kristallstrukturer och stökiometrier under varierande termodynamiska förhållanden.