Buckybomb viser den potentielle kraft af sprængstoffer i nanoskala

(Phys.org) – Forskere har simuleret eksplosionen af ​​et modificeret buckminsterfulleren-molekyle (C ₆₀ ), bedre kendt som en buckyball, og vist, at reaktionen frembringer en enorm stigning i temperatur og tryk inden for en brøkdel af et sekund. Sprængstoffet i nanoskala, som forskerne kalder en "buckybomb, "hører til det nye område af højenergiske nanomaterialer, der kan have en række militære og industrielle anvendelser.

Forskerne, Vitaly V. Chaban, Eudes Eterno Fileti, og Oleg V. Prezhdo ved University of Southern California i Los Angeles, har udgivet et papir om den simulerede buckybomb-eksplosion i et nyligt nummer af The Journal of Physical Chemistry Letters . Chaban er også ved Federal University of São Paulo, Brasilien.

Buckybomben kombinerer de unikke egenskaber af to klasser af materialer:kulstofstrukturer og energiske nanomaterialer. Kulstofmaterialer såsom C ₆₀ kan kemisk modificeres ret nemt for at ændre deres egenskaber. I mellemtiden INGEN ₂ grupper er kendt for at bidrage til detonations- og forbrændingsprocesser, fordi de er en vigtig kilde til ilt. Så, forskerne spekulerede på, hvad der ville ske, hvis NEJ ₂ grupper blev knyttet til C ₆₀ molekyler:ville det hele eksplodere? Og hvor?

Simuleringerne besvarede disse spørgsmål ved at afsløre eksplosionen i trin-for-trin detaljer. Startende med en intakt buckybomb (teknisk kaldet dodecanitrofulleren, eller C ₆₀ (INGEN ₂ ) ₁₂ ), forskerne hævede den simulerede temperatur til 1000 K (700 °C). Inden for et picosekund (10 ^-12 sekund), NEJ ₂ grupper begynder at isomerisere, omarrangere deres atomer og danne nye grupper med nogle af kulstofatomerne fra C ₆₀ . Efterhånden som der går et par picosekunder, C ₆₀ struktur mister nogle af sine elektroner, som forstyrrer de bindinger, der holder det sammen, og, lynhurtigt, det store molekyle desintegrerer i mange små stykker diatomisk kulstof (C ₂ ). Tilbage er en blanding af gasser inklusive CO ₂ , INGEN ₂ , og N ₂ , samt C ₂ .

Selvom denne reaktion kræver en indledende varmetilførsel for at komme i gang, når den først er i gang, frigiver den en enorm mængde varme i forhold til dens størrelse. Inden for det første picosekund, temperaturen stiger fra 1000 til 2500 K. Men på dette tidspunkt er molekylet ustabilt, så yderligere reaktioner i løbet af de næste 50 picosekunder hæver temperaturen til 4000 K. Ved denne temperatur, trykket kan nå så højt som 1200 MPa (mere end 10, 000 gange normalt atmosfærisk tryk), afhængig af materialets tæthed.

Kemisk set, forskerne forklarer, at varmeenergien kommer fra den høje tæthed af kovalent energi, der er lagret af kulstof-kulstof-bindingerne i C ₆₀ . Fordi NEJ ₂ grupper starter reaktionen, tilføjer mere NO ₂ grupper øger mængden af ​​energi, der frigives under eksplosionen. Ved at vælge et passende antal af disse grupper, samt ændring af forbindelseskoncentrationen, give måder at kontrollere eksplosionsstyrken på.

Forskerne forudser, at denne hurtige frigivelse af kemisk energi vil give spændende muligheder for design af nye højenergiske nanomaterialer.

© 2015 Phys.org