Forskere opdager en uventet faseovergang i det højeksplosive TATB

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere i samarbejde med University of Nevada Las Vegas (UNLV) har opdaget en tidligere ukendt trykinduceret faseovergang for TATB, der kan hjælpe med at forudsige detonationens ydeevne og eksplosivets sikkerhed. Forskningen vises i online -udgaven af Anvendt fysik bogstaver og det fremhæves som et omslag og en fremhævet artikel.

1, 3, 5-Triamino-2, 4, 6-trinitrobenzen (TATB), branchestandarden for et ufølsomt højeksplosiv, skiller sig ud som det optimale valg, når sikkerhed (ufølsomhed) er af største betydning. Blandt lignende materialer med lignende frigivelse af eksplosiv energi, TATB er bemærkelsesværdigt svært at chokstarte og har en lav friktionsfølsomhed. Årsagerne til denne usædvanlige adfærd er skjult i højtryksstrukturudviklingen af ​​TATB. Supercomputersimuleringer af sprængstoffer, der detonerer, kører på verdens mest kraftfulde maskiner på LLNL, afhænger af at kende atomernes nøjagtige placering i krystallstrukturen af ​​et eksplosiv. Nøjagtig viden om atomarrangement under pres er hjørnestenen for at forudsige detonationens ydeevne og sikkerhed ved et sprængstof.

Teamet udførte eksperimenter ved hjælp af en diamantamboltcelle, som komprimerede TATB -enkeltkrystaller til et tryk på mere end 25 GPa (250, 000 gange atmosfærisk tryk). Ifølge alle tidligere eksperimentelle og teoretiske undersøgelser, man mente, at atomarrangementet i krystalstrukturen i TATB forbliver det samme under tryk. Projektteamet udfordrede konsensus på området med det formål at tydeliggøre højtryks strukturel adfærd hos TATB.

Den største eksperimentelle udfordring var den ekstremt lave symmetri -krystalstruktur af TATB, at gøre konventionelle røntgendiffraktionsteknikker til diamantamboltceller ikke mulige. I stedet, det eksperimentelle team brugte enkelt-krystal røntgendiffraktion under tryk, for første gang i tilfælde af et organisk materiale med lav symmetri, såsom TATB.

"Spørgsmålet om faseovergange i komprimeret TATB er blevet debatteret i årtier. Vi var sikre på, at vores tilgang til sidst ville løse dette problem - men det var meget mere udfordrende at finde svaret, end vi havde forventet, "sagde Oliver Tschauner, en professor i instituttet for geovidenskab ved UNLV.

Overraskende nok, de eksperimentelle resultater afslørede en hidtil ukendt overgang til en monoklin fase med højere symmetri over 4 GPa. De eksperimentelle resultater tillod teamet at bestemme de grundlæggende egenskaber (gitterparametre og cellevolumen) for højtryks-krystalstrukturen og tilstandsligningen (densitet som funktion af tryk) over faseovergangen. Imidlertid, holdet stoppede ikke på dette tidspunkt

"Selvom de eksperimentelle resultater tillod os at anvende vigtige korrektioner på TATB -ligningen, vi var fast besluttede på at gå et skridt videre og forstå arten af ​​faseovergangen og den nøjagtige struktur af højtryksfasen, "forklarede Elissaios Stavrou, en medarbejder i Material Science Division på LLNL.

For at hjælpe med at opklare højtryksfasen, LLNL-teoretikere anvendte en evolutionær strukturel søgningsalgoritme (USPEX), der hjælper med at undersøge højtryksstrukturer i TATB. De teoretiske resultater bekræftede ikke kun de eksperimentelle fund, men klargjorde også den nøjagtige struktur af højtryksfasen.

"Næsten alt om et materiale kan udledes af dets krystalstruktur, " sagde Brad Steele, en postdoktor i Material Science Division ved LLNL og hovedforfatter af forskningen. "I dette papir viser vi, at vi kan forudsige krystalstrukturen selv for et stort/kompliceret energetisk materiale som TATB. De anvendte metoder har mange potentielle anvendelser inden for materialevidenskab."

Baseret på USPEX -resultaterne teamet fastslog, at faseovergangen involverer et trykinduceret in-plane skift af de grafitlignende lag af TATB-molekyler i omgivelsestryksfasen.

Matthew Kroonblawd, en medarbejder i Material Science Division på LLNL, forklarede yderligere:"TATB er notorisk svært at modellere, men vi var i stand til at relatere de gamle og nye faser ved hjælp af generaliserede beregningsværktøjer, som vi udviklede specifikt til disse komplicerede molekylære materialer. Denne nye fase løser formodninger, der har været ved siden 1970'erne. "

Teamet planlægger at bruge den samme kombination af state-of-the-art eksperimentelle og teoretiske teknikker til at opdage mulige faseovergange i andre energiske materialer. Imidlertid, metoden anvendt i denne undersøgelse er ikke begrænset til energiske materialer og udvider teamets evne til at afsløre krystalstrukturer og støkiometrier væsentligt under variable termodynamiske forhold.