Molekylär konfiguration av en exploderande buckybomb. Kredit:ACS
(Phys.org) – Forskare har simulerat explosionen av en modifierad buckminsterfulleren-molekyl (C 60 ), mer känd som en buckyball, och visat att reaktionen ger en enorm ökning av temperatur och tryck inom en bråkdel av en sekund. Sprängämnet i nanoskala, som forskarna smeknamnet en "buckybomb, " tillhör det framväxande området av högenerginanomaterial som kan ha en mängd olika militära och industriella tillämpningar.
Forskarna, Vitaly V. Chaban, Eudes Eterno Fileti, och Oleg V. Prezhdo vid University of Southern California i Los Angeles, har publicerat en artikel om den simulerade buckybomb-explosionen i ett färskt nummer av The Journal of Physical Chemistry Letters . Chaban är också på Federal University of São Paulo, Brasilien.
Buckybomben kombinerar de unika egenskaperna hos två klasser av material:kolstrukturer och energiska nanomaterial. Kolmaterial som C 60 kan kemiskt modifieras ganska lätt för att ändra deras egenskaper. Under tiden, NEJ 2 grupper är kända för att bidra till detonations- och förbränningsprocesser eftersom de är en viktig källa till syre. Så, forskarna undrade vad som skulle hända om NEJ 2 grupper kopplades till C 60 molekyler:skulle det hela explodera? Och hur?
Simuleringarna besvarade dessa frågor genom att avslöja explosionen i detalj steg för steg. Börjar med en intakt buckybomb (tekniskt kallad dodecanitrofulleren, eller C 60 (NEJ 2 ) 12 ), forskarna höjde den simulerade temperaturen till 1000 K (700 °C). Inom en pikosekund (10 -12 andra), nejet 2 grupper börjar isomerisera, ordna om sina atomer och bilda nya grupper med några av kolatomerna från C 60 . När ytterligare några pikosekunder går, C 60 struktur förlorar några av sina elektroner, som stör bindningarna som håller ihop det, och, på ett ögonblick, den stora molekylen sönderfaller till många små bitar av diatomiskt kol (C 2 ). Det som finns kvar är en blandning av gaser inklusive CO 2 , NEJ 2 , och n 2 , samt C 2 .
Även om denna reaktion kräver en initial värmetillförsel för att komma igång, när den väl är igång avger den en enorm mängd värme för sin storlek. Inom den första pikosekunden temperaturen ökar från 1000 till 2500 K. Men vid denna tidpunkt är molekylen instabil, så ytterligare reaktioner under de kommande 50 pikosekunderna höjer temperaturen till 4000 K. Vid denna temperatur, trycket kan nå så högt som 1200 MPa (mer än 10, 000 gånger normalt atmosfärstryck), beroende på materialets densitet.
Kemiskt sett, forskarna förklarar att värmeenergin kommer från den höga tätheten av kovalent energi som lagras av kol-kolbindningarna i C 60 . Eftersom NEJ 2 grupper initierar reaktionen, lägga till mer NEJ 2 grupper ökar mängden energi som frigörs under explosionen. Att välja ett lämpligt antal av dessa grupper, samt att ändra koncentrationen av föreningen, tillhandahålla sätt att kontrollera explosionsstyrkan.
Forskarna förutspår att denna snabba frisättning av kemisk energi kommer att ge spännande möjligheter för design av nya högenergiska nanomaterial.
© 2015 Phys.org
