Et skridt tættere på at forstå eksplosiv følsomhed med molekyledesign

Sprængstoffer har et iboende problem - de skal være helt sikre til håndtering og opbevaring, men detonerer pålideligt efter behov. Ved hjælp af computermodellering og en ny molekyledesignteknik, forskere ved Los Alamos National Laboratory har erstattet en "arm" af et eksplosivt molekyle for at hjælpe med at opklare de første trin i detonationsprocessen og bedre forstå dens følsomhed - hvor let det starter en voldsom reaktion.

"Det startede med, kan vi tage et almindeligt initierende eksplosivt PentaErythritol TetraNitrate (PETN) og udskifte dele af det for at ændre følsomhedsegenskaber, "sagde sprængstofkemikeren Virginia Manner." Så vi erstattede en arm af PETN med forskellige ikke-energiske grupper for at se, hvordan de forskellige grupper kunne ændre følsomheden af ​​det samlede molekyle. Det er første gang, vi har taget et grundlæggende system som dette og ændret forskellige dele af det for at se, hvordan det kan påvirke følsomheden. "

Undersøgelsen blev offentliggjort i dag i Kemisk videnskab "flagskibstidskriftet" for Royal Society of Chemistry.

Forskerne var i stand til at ændre følsomheden af ​​materialer af PETN-type, gør dem både mindre følsomme og mere følsomme. PETN blev opfundet i Tyskland i 1894, er et af de mere kraftfulde eksplosive materialer, og bruges typisk kun i små mængder på grund af dens relativt høje følsomhed.

En anden ny tilgang til denne forskning er det tætte samarbejde mellem kemikere og computermodeller i Los Alamos.

"For cirka tre år siden indså jeg, at nogle modeller virkelig ville hjælpe, "sagde Manner." Så jeg bad Marc Cawkwell om at arbejde sammen med mig og indså, at vi havde helt forskellige ideer om, hvad der gjorde sprængstoffer følsomme. Jeg troede, at det hele bare var grundlæggende kemi, og han troede, at det var de mekaniske egenskaber, der styrer, om et eksplosiv er ufølsomt eller følsomt. I løbet af dette arbejde overbeviste vi langsomt hinanden om, at vi begge tog fejl! "

"Eller hellere, delvist rigtigt! "tilføjede Cawkwell.

Ved hjælp af en molekylær dynamik computerkode skrevet i Los Alamos kaldet "LATTE" er Cawkwell i stand til at modellere fremstilling og nedbrydning af kemiske bindinger i sprængstoffer meget præcist.

"Kemien kommer fra den elektroniske struktur af et molekyle, "sagde Cawkwell." Med LATTE kan vi nøjagtigt beregne et molekyls energi og kraften på hvert atom ud fra dets elektroniske struktur, som giver os mulighed for at sprede positionerne for alle atomerne fremad i tiden og lade systemet udvikle sig. Hvis temperaturen og trykket er højt nok, ser vi en kaskade af kemi, der starter en eksplosion. "

Modelleringen bruges derefter til at fortolke eksperimenter i form af en slagvægtstest, for at se, om et nyligt syntetiseret sprængstof starter let (følsomt) eller kræver mere kraft (ufølsom) for at eksplodere.

Det modelleringen giver er en meget dybere forståelse af de underliggende processer i en detonation. "Det gav os virkelig mulighed for at forstå disse ret simple faldvægteksperimenter i udsøgte atomistiske detaljer, "sagde Cawkwell." For eksempel, "unzippering" -reaktionen i PETN, der blev identificeret af vores kollega Ed Kober fra LATTE -simuleringerne, var noget, ingen af ​​os kunne forudse. "

"Det endelige mål er at se, om vi forudsigeligt kan justere sprængstoffer, "sagde Manner." I fremtiden vil folk gerne vide, hvordan kan vi gøre sprængstoffer mere eller mindre sikre eller følsomme, især til applikationer med nukleare lagre. Generelt, folk kigger bare på disse sprængstoffer, der har eksisteret i 100 år eller mere og forsøger at forstå dem. Så vi tænkte, at hvis vi kan lave et system, hvor vi systematisk indstiller følsomhed, hvor vi virkelig forstår de molekylære egenskaber, der påvirker initiering mest, så kunne vi styre udviklingen af ​​nye sprængstoffer i fremtiden. "