Två forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har upptäckt en ny mekanism för antändning av höga explosiva ämnen som förklarar de ovanliga detonationsegenskaperna hos 1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobensen (TATB).

Forskningen kommer att möjliggöra systematiska förbättringar av kontinuummekaniska modeller som används för att bedöma materialets prestanda och säkerhet exakt och tillförlitligt.

Mycket okänsliga sprängämnen erbjuder avsevärt förbättrade säkerhetsegenskaper jämfört med mer konventionella sprängämnen, men de fysiska egenskaperna som är ansvariga för säkerhetsegenskaperna är inte klara. Bland sprängämnen, TATB är nästan unik i sina avvägningar mellan säkerhet och energi.

Tekniska modeller för chockinitieringssäkerhet och detonationsprestanda för sprängämnen är beroende av fysikmodeller som fokuserar på bildandet och tillväxten av hot spots (lokala regioner med förhöjd temperatur som accelererar kemiska reaktioner) som anses styra dessa reaktioner. Dock, modeller för TATB baserade på hot spot-konceptet har hittills inte kunnat beskriva både initierings- och detonationsregimer samtidigt. Detta indikerar saknad fysik i den grundläggande förståelsen av vilka processer som driver okänsliga högsprängämnen att detonera.

För att avslöja denna saknade fysik, teamet använde superdatorsimuleringar som involverade många miljoner atomer för att titta på materialets respons precis bakom en detonationschockvåg. Vad de fann var den dynamiska bildandet av ett komplicerat nätverk av skjuvband i materialet. Skjuvband är lokala områden av mycket oordnat material som produceras när materialet går sönder under extrema påfrestningar. Även om svaret inte var helt oväntat, det var oklart vad det innebar.

"Skärningsband förutsägs och observeras bildas i många sprängämnen, men den kemiska betydelsen av deras bildande är inte välkänd, " sa LLNL-forskaren Larry Fried, en av författarna till tidningen. Trots denna osäkerhet, forskarna trodde att de hade ett försprång om den saknade fysiken.

Att besvara frågor om den kemiska reaktiviteten hos skjuvband krävde att man vänder sig till kvantbaserade simuleringsmetoder för molekylär dynamik (QMD) och högpresterande beräkningar. "Den största utmaningen med QMD är att det bara kan tillämpas på små system, så vi utvecklade en flerskalemodelleringsteknik för att titta på kemin i skjuvbands- och kristallregioner i representativa volymelement, " förklarade Matt Kroonblawd, huvudförfattare på studien.

Genom skalbrygga med QMD, teamet fann att oordnat material i skjuvband blir kemiskt aktiverat. Banden bildas i starkt chockad TATB och reagerar 200 gånger snabbare än kristallen, vilket ger en fysisk förklaring till varför ingenjörsmodeller krävde empiriska "växlingsfunktioner" för att gå mellan chockinitiering och detonationssituationer.

Forskarna beskriver detta nyupptäckta fenomen som "kemisk aktivering genom skjuvband, " vilket leder till ökade reaktionshastigheter utan den lokala uppvärmningen som vanligtvis framkallas av hot spot-paradigmet. Att fånga denna respons i explosiva modeller kommer att förbättra deras fysiska grund och möjliggöra systematiska förbättringar för att bedöma prestanda och säkerhet mer exakt och tillförlitligt.

Forskningen visas i nätupplagan den 22 maj av Fysiska granskningsbrev .