Arméforskare bevisade en decennier gammal förutsägelse att blandning av TNT och nya aluminiumnanopartiklar avsevärt kan förbättra energiprestanda. Denna explosiva upptäckt förväntas utöka räckvidden för amerikanska arméns eldkraft i strid.

Forskare från US Army Research Laboratory och Texas Tech University visade upp till 30-procentig förbättring av detonationshastigheten för det explosiva TNT genom att lägga till nya aluminiumnanopartiklar där det inhemska aluminiumoxidskalet har ersatts med ett oxiderande salt som kallas AIH, eller aluminiumjodathexahydrat.

Strukturen för de AIH-belagda aluminiumnanopartiklarna avslöjades för första gången genom högupplöst transmissionselektronmikroskopi (TEM) utförd av ARL:s Dr. Chi-Chin Wu, en materialforskare som leder plasmaforskningen för laboratoriets Energetic Materials Science Branch i Lethality Division of Weapons and Materials Research Directorate.

Wu sa att denna revolutionära forskning erbjuder potential för exploatering av aluminium och eventuellt andra metalliska nanopartiklar i explosiva formuleringar för att utöka räckvidden och destruktiv kraft hos arméns vapensystem, ett av huvudmålen för arméns moderniseringsprioritering för "Long Range Precision Fires".

"Vi tror att dessa resultat visar ett enormt löfte om att förbättra detonationsprestandan för konventionella militära sprängämnen med aluminiumnanopartiklar för första gången, "sa ARL:s doktor Jennifer Gottfried, en fysikalisk kemist som samarbetade i forskningen.

"Det är väldigt spännande att avancera vetenskapen till en punkt där vi kan utnyttja mer kemisk energi från metallpartiklar vid snabbare tidsskalor. Detta är en spännande tid för att omvandla energiproduktionsteknik, "sa Dr. Michelle L. Pantoya, J. W. Wright Regents ordförande i maskinteknik och professor vid Texas Tech University.

Detaljer om detta genombrottsarbete beskrivs i teamets publikation 28 maj "Improving the Explosive Performance of Aluminum Nanoparticles with Aluminum Iodate Hexahydrate (AIH)" av Jennifer L. Gottfried, Dylan K. Smith, Chi-Chin Wu, och Michelle L. Pantoya i high-impact journal Vetenskapliga rapporter .

Teamet fann att den kristallina aluminiumkärnan effektivt skyddades mot oönskad oxidation av AIH -skalet, som framstår som utskjutande knölar på aluminiumytan. Den förbättrade reaktiviteten på grund av denna unika morfologiska egenskap och nya kärnskalstruktur demonstrerades genom laserinducerad luftchock från energimaterialförsök, en innovativ testmetod i laboratorieskala utvecklad av Gottfried. Denna teknik innebär att provet påverkas med en hög energi, fokuserad laserpuls för att våldsamt bryta sönder de explosiva molekylerna. Interaktionen mellan lasern och materialet bildar en laserinducerad plasma och producerar en chockvåg som expanderar in i den omgivande luften. Energin som frigörs från ett explosivt prov kan sedan bestämmas experimentellt genom att mäta den laserinducerade chockhastigheten med en höghastighetskamera.

Det förutspåddes för decennier sedan att aluminium nanopartiklar har potential att förbättra explosiva och drivmedels energiska prestanda på grund av deras höga energiinnehåll och potential för snabb förbränning. Detta beror på att de har exceptionellt stora ytor jämfört med deras totala volym och en mycket stor reaktionsvärme. Dock, ytan på aluminiumnanopartiklarna oxideras naturligt i luft för att bilda ett tjockt aluminiumoxidskal, typiskt 20 viktprocent, som inte bara sänker energiinnehållet i nanopartiklarna genom att minska mängden aktivt aluminium, det bromsar också energifrigöringshastigheten eftersom den fungerar som en barriär för reaktionen av aluminium med explosivet. Därför, ersätta oxidskalet, som framgångsrikt uppnåtts av TTU, kan avsevärt förbättra den explosiva prestandan.

Dessa preliminära gemensamma insatser har också lett till ett formellt forskningssamarbete under ett ARL Director's Research Award, finanspolitiska initiativet 2018 för externt samarbete mellan Wu och TTU.

Efter att ha publicerat två artiklar i vetenskapliga tidskrifter med hög påverkan det senaste året, teamet är redo att driva ytterligare energiforskning med aluminiumnanopartiklar genom att arbeta med U.S. Army Research, Kommando för utveckling och teknik vid Picatinny Arsenal, New Jersey, och flygvapnets forskningslaboratorium.