Använda tunna filmer – inte mer än några bitar tjockt anteckningsbokpapper – av en vanlig explosiv kemikalie, forskare från Sandia National Laboratories studerade hur småskaliga explosioner startar och växer. Sandia är det enda labbet i USA som kan göra sådana detonerbara tunna filmer.

Dessa experiment avancerade grundläggande kunskap om detonationer. Uppgifterna användes också för att förbättra ett Sandia-utvecklat datormodelleringsprogram som används av universitet, privata företag och försvarsdepartementet för att simulera hur storskaliga detonationer initierar och fortplantar sig.

"Det är snyggt, vi tänjer verkligen på gränserna för den skala där du kan detonera och vad du kan göra med sprängämnen när det gäller att ändra olika egenskaper, sa Eric Forrest, huvudforskaren i projektet. "Traditionell sprängämnesteori säger att du inte borde kunna detonera vid dessa längdskalor, men vi har kunnat visa det, faktiskt, du kan."

Forrest och resten av forskargruppen, delade med sig av sitt arbete med att studera egenskaperna hos dessa tunna filmer och de explosioner de producerar i två nyligen publicerade tidningar i ACS tillämpade material och gränssnitt och Drivmedel, Explosiva varor, Pyroteknik .

för sina studier, laget använde PETN, även känd som pentaerytritoltetranitrat, som är lite kraftfullare än TNT, pund för pund. Det används ofta av gruvindustrin och av militären.

Vanligtvis, PETN pressas till cylindrar eller pellets för användning. Forskargruppen använde istället en metod som kallas fysisk ångdeposition – som också används för att göra andra generationens solpaneler och för att belägga några smycken – för att "odla" tunna filmer av PETN.

Sandia är det enda labbet i USA som har kompetensen och utrustningen för att använda denna teknik för att göra tunna explosiva filmer som kan detonera, sa Rob Knepper, en Sandia explosivexpert involverad i projektet.

Odla och studera tunna explosiva filmer

Börjar i slutet av 2015, teamet odlade tunna filmer av PETN på olika typer av ytor för att avgöra hur det skulle påverka filmernas egenskaper. De började med bitar av kisel ungefär lika stora som en pinkie-nagel och växte filmer som var ungefär en tiondel av tjockleken på ett papper, för tunn för att explodera. Några av kiselbitarna var mycket rena, några var måttligt rena, och en del var raka ut ur lådan och hade därmed ett mycket tunt lager smuts-50, 000 gånger tunnare än ett pappersark.

På de mycket rena silikonytorna, PETN-filmerna bildade vad som verkade vara släta plattor genom svepelektronmikroskopi, men hade små sprickor mellan tallrikarna, ungefär som torkad lera på en torkad sjöbädd. På de smutsiga kiselytorna, ytan på PETN-filmerna såg mer ut som jämna kullar.

Med hjälp av en röntgenbaserad teknik, forskarna fastställde att detta beror på att PETN-molekylerna orienterar sig annorlunda på smutsiga ytor jämfört med mycket rena ytor, och därmed växer filmen annorlunda, sa Forrest.

"Särskilt den här studien har visat att vi inte bara kan få nya, men mycket användbara former av traditionella sprängämnen som du aldrig skulle kunna uppnå med traditionella medel, "Sade Forrest. "En fin kontroll av filmens egenskaper gör det möjligt för oss att undersöka teorier för att bättre förstå explosiv initiering, vilket gör att vi bättre kan förutsäga tillförlitlighet, prestanda och säkerhet för explosiva system genom förbättrade modeller."

Knepper, som fungerade som Forrests mentor i projektet, gick med på. "Att utveckla ett sätt som vi reproducerbart kan kontrollera filmernas mikrostruktur, bara genom ytmanipulation, är viktigt. Just nu, vårt fokus ligger på att använda dessa filmer för att öka vår förståelse av explosiva egenskaper i små vågar, såsom initiering och misslyckande av sprängämnen."

Småskaliga tester för att förbättra datormodeller

När de tunna filmernas egenskaper och egenskaper förstods bättre, forskargruppen odlade tjockare filmer – den här gången ungefär lika tjocka som två ark anteckningsbokpapper – på mycket rena plastbitar ungefär lika stora som ett pinkfinger.

Sedan, med en smäll, de detonerade de explosiva filmerna inuti ett specialdesignat säkerhetshölje som kallas "bombox, " som konstruerades för att förhindra en detonation från att starta medan höljet var öppet och innehålla skräp från detonationen. Med hjälp av en ultrahöghastighetskamera som kan ta upp till en miljard bilder per sekund, de såg chockvågen stiga upp när explosionen rasade över den tunna filmen.

I samarbete med New Mexico Institute of Mining and Technology i Socorro, forskargruppen utvecklade en specialiserad uppsättning för att se chockvågen trots röken och skräpet från testexplosionerna med schlieren-avbildning, en teknik som kan upptäcka skillnader i luftdensitet som liknar skimrandet över en varm motorväg.

En maskinteknisk masterstudent från New Mexico Tech, Julio Peguero, använde data från dessa experiment för att förfina Sandias datormodelleringsprogram för sprängämnen. Programmet, kallas CTH, kan användas för applikationer, till exempel för att avgöra hur man bäst formar sprängladdningar när man borrar efter olja, sa Knepper.

Peguero plottade hastigheten för stötvågorna ovanför filmerna med och utan luckor och anpassade datorprogrammet för att bättre matcha deras experimentella resultat på mycket tunna filmer. Teamet konstruerade tunna filmer med sprickor i mitten av olika storlekar – allt från en tredjedel av ett människohårs bredd till 1 1/3 av ett hårstrå – för att bättre förstå tillförlitligheten hos tunna filmer och hur detonationer kan misslyckas. Teamet fann att luckor runt storleken på ett hårstrå kunde stoppa en detonation från att fortsätta.

Forrest var särskilt intresserad av gapstudierna eftersom den första studien fann tunna sprickor mellan de mycket släta plattorna i några av filmerna. Även om dessa sprickor var mycket mindre än till och med en tiondel av ett hårstrå, data från gapstudien gav insikter om hur dessa filmer skulle fungera.

Peguero, som nu är Sandia-anställd började arbeta med projektet i januari 2018, först som student och sedan som praktikant i Sandia. "Förutom spänningen i att forska efter sprängämnen, Jag fick en uppskattning för mätosäkerhet och risker, ", sade Peguero. "Det är särskilt viktigt för nationellt säkerhetsarbete för att säkerställa att vårt förtroende för våra mätningar är välförstått."

Knepper höll med om vikten av projektet. Han sa, "När du har experimentella data i liten skala, speciellt de som är relevanta för gränsen mellan vad som kan detonera och vad som inte kan, dessa data kan vara till stor hjälp vid kalibrering av datormodeller. Också, att kunna ha en bra karakterisering av den explosiva mikrostrukturen för att gå in i modellerna hjälper till med parametrar som framgångsrikt kan förutsäga prestanda över ett större antal explosiva beteenden. "