Forskning finder, at mekanisk drevet kemi accelererer reaktioner i sprængstoffer

Forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Energetic Materials Center og Purdue University Materials Engineering Department har brugt simuleringer udført på LLNL-supercomputeren Quartz til at afsløre en generel mekanisme, der accelererer kemien i detonerende sprængstoffer, der er afgørende for håndteringen af ​​landets nukleare lager. Deres forskning er omtalt i 15. juli-udgaven af ​​Journal of Physical Chemistry Letters .

Ufølsomme højeksplosive stoffer baseret på TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzen) tilbyder forbedrede sikkerhedsegenskaber i forhold til mere konventionelle sprængstoffer, men fysiske forklaringer på disse sikkerhedsegenskaber er ikke klare. Eksplosiv initiering forstås at opstå fra hotspots, der dannes, når en chokbølge interagerer med mikrostrukturelle defekter såsom porer. Ultrahurtig kompression af porer fører til en intens lokaliseret temperaturstigning, som accelererer kemiske reaktioner, der er nødvendige for at starte forbrænding og i sidste ende detonation. Tekniske modeller for ufølsomme højsprængstoffer – brugt til at vurdere sikkerhed og ydeevne – er baseret på hotspot-konceptet, men har svært ved at beskrive en lang række forhold, hvilket indikerer manglende fysik i disse modeller.

Ved at bruge storskala atomisk opløste supercomputersimuleringer af reaktiv molekylær dynamik, sigtede holdet direkte på at beregne, hvordan hotspots dannes og vokser for bedre at forstå, hvad der får dem til at reagere.

Kemiske reaktioner accelererer generelt, når temperaturen øges, men der er andre potentielle mekanismer, der kan påvirke reaktionshastighederne.

"Nylige simuleringer af molekylær dynamik har vist, at områder med intens plastisk deformation, såsom forskydningsbånd, kan understøtte hurtigere reaktioner," forklarede LLNL-forfatteren Matthew Kroonblawd. "Lignende accelererede hastigheder blev også observeret i de første reaktive molekylære dynamiksimuleringer af hotspots, men årsagerne til de accelererede reaktioner i forskydningsbånd og hotspots var uklare."

Den største fordel og forudsigelige kraft ved simuleringer af molekylær dynamik kommer fra deres fuldstændige opløsning af alle atomets bevægelser under en dynamisk begivenhed.

"Disse simuleringer genererer enorme mængder data, som kan gøre det vanskeligt at udlede generel fysisk indsigt i, hvordan atombevægelser styrer den kollektive materielle reaktion," sagde Ale Strachan fra Purdue University.

For bedre at kunne håndtere dette big data-problem vendte teamet sig til moderne dataanalyseteknikker. Gennem klyngeanalyse fandt holdet, at to molekylære tilstandsdeskriptorer var forbundet med kemiske reaktionshastigheder. En af disse er temperaturen, som er velforstået fra traditionel termokemi. Den anden vigtige deskriptor er en nyligt foreslået metrik for den energi, der er forbundet med deformationer af molekyleform, det vil sige den intramolekylære stammeenergi.

"Ved omgivende forhold antager TATB-molekyler en plan form," sagde Brenden Hamilton fra Purdue University, "og denne form fører til en meget elastisk krystalpakning, der menes at være forbundet med TATBs usædvanlige ufølsomhed."

Holdets klyngeanalyse afslørede, at molekyler i et hotspot, der er drevet fra deres ligevægtsplane form, reagerer hurtigere; mekaniske deformationer af molekyler i områder med intens plastikmaterialestrøm fører til en mekanokemisk acceleration af hastigheder.

Mekanisk drevet kemi (mekanokemi) er kendt for at fungere i mange systemer, lige fra præcisionsmanipulation af bindinger gennem atomkraftmikroskopi "pincet" til industriel kuglefræsning.

Mekanokemien, der opererer i chokerede sprængstoffer, udløses ikke direkte, men er et resultat af en kompliceret kaskade af fysiske processer, der starter, når et chok inducerer deformationer af plastmateriale.

"Vi skelner denne form for proces - hvor mekanokemi er en nedstrøms konsekvens af en lang kæde af hændelser - som ekstemporær mekanokemi," sagde Hamilton, og "dette står i kontrast til den mere udbredte undersøgte overlagte mekanokemi, hvor den indledende stimulus direkte inducerer en mekanokemi. reaktion."

Arbejdet giver klare beviser for, at mekanokemi af deforme molekyler er ansvarlig for at accelerere reaktioner i hotspots og i andre områder med plastisk deformation, såsom forskydningsbånd.

"Dette arbejde giver en kvantitativ forbindelse mellem hotspot-antændingskemi og den nylige 2020 LLNL-opdagelse af forskydningsbåndsantændelse, som giver et solidt grundlag for at formulere mere generelle fysik-baserede eksplosive modeller," sagde Kroonblawd. "Inkludering af mekanokemiske effekter i eksplosivmodeller vil forbedre deres fysiske grundlag og give mulighed for systematiske forbedringer for at vurdere ydeevne og sikkerhed nøjagtigt og pålideligt." + Udforsk yderligere

Simuleringer forklarer detonationsegenskaber i TATB