Forskere har det sjovt med nanopartikler af aluminium

Forskere fra hæren beviste en årtier gammel forudsigelse om, at blanding af TNT og nye aluminiumnanopartikler kan forbedre den energiske ydeevne betydeligt. Denne eksplosive opdagelse forventes at udvide rækkevidden af ​​den amerikanske hærs ildkraft i kamp.

Forskere fra U.S. Army Research Laboratory og Texas Tech University demonstrerede en forbedring på op til 30 procent i detonationshastigheden af ​​det eksplosive TNT ved at tilføje nye aluminiumsnanopartikler, hvori den oprindelige aluminiumoxidskal er blevet erstattet med et oxiderende salt kaldet AIH, eller aluminiumiodathexahydrat.

Strukturen af ​​de AIH-coatede aluminium nanopartikler blev afsløret for allerførste gang gennem høj opløsning transmission elektron (TEM) mikroskopi udført af ARL's Dr. Chi-Chin Wu, en materialeforsker, der leder plasmaforskningen for laboratoriets Energetic Materials Science Branch i Lethality Division of Weapons and Materials Research Directorate.

Wu sagde, at denne revolutionære forskning giver mulighed for udnyttelse af aluminium og potentielt andre metalliske nanopartikler i eksplosive formuleringer for at udvide rækkevidden og ødelæggende kraft af hærens våbensystemer, et nøglemål for hærens "Long Range Precision Fires" moderniseringsprioritet.

"Vi mener, at disse resultater viser et enormt løfte om at forbedre detonationsydelsen af ​​konventionelle militærsprængstoffer med aluminiumsnanopartikler for første gang, " sagde ARL's Dr. Jennifer Gottfried, en fysisk kemiker, der samarbejdede om forskningen.

"Det er meget spændende at fremme videnskaben til et punkt, hvor vi kan udnytte mere kemisk energi fra metalpartikler på hurtigere tidsskalaer. Dette er en spændende tid til at transformere energigenereringsteknologi, " sagde Dr. Michelle L. Pantoya, J. W. Wright Regents-stolen i maskinteknik og professor ved Texas Tech University.

Detaljer om dette banebrydende arbejde er beskrevet i holdets offentliggjorte artikel den 28. maj "Improving the Explosive Performance of Aluminium Nanoparticles with Aluminum Iodate Hexahydrate (AIH)" af Jennifer L. Gottfried, Dylan K. Smith, Chi-Chin Wu, og Michelle L. Pantoya i tidsskriftet med høj effekt Videnskabelige rapporter .

Holdet fandt ud af, at den krystallinske aluminiumskerne var effektivt beskyttet mod uønsket oxidation af AIH-skallen, som fremstår som udstående knuder på aluminiumsoverfladen. Den forbedrede reaktivitet på grund af denne unikke morfologiske egenskab og nye kerne-skal struktur blev demonstreret ved laser-induceret luftchok fra eksperimenter med energiske materialer, en innovativ laboratorie-skala energitestmetode udviklet af Gottfried. Denne teknik involverer at påvirke prøven med en høj energi, fokuseret laserpuls til voldsomt at bryde de eksplosive molekyler fra hinanden. Laserens interaktion med materialet danner et laserinduceret plasma og frembringer en chokbølge, der udvider sig i den omgivende luft. Den energi, der frigives fra en eksplosiv prøve, kan derefter eksperimentelt bestemmes ved at måle den laserinducerede stødhastighed med et højhastighedskamera.

Det blev forudsagt for årtier siden, at nanopartikler af aluminium har potentialet til at forbedre den energiske ydeevne af sprængstoffer og drivmidler på grund af deres høje energiindhold og potentiale for hurtig forbrænding. Dette skyldes, at de har usædvanligt store overfladearealer i forhold til deres samlede volumen og en meget stor reaktionsvarme. Imidlertid, overfladen af ​​aluminiumsnanopartiklerne oxideres naturligt i luften til dannelse af en tyk aluminiumoxidskal, typisk 20 vægtprocent, som ikke kun sænker energiindholdet i nanopartiklerne ved at reducere mængden af ​​aktivt aluminium, det sænker også energifrigivelseshastigheden, fordi det fungerer som en barriere for aluminiumets reaktion med sprængstoffet. Derfor, udskiftning af oxidskallen, som med succes opnået af TTU, kan forbedre den eksplosive ydeevne betydeligt.

Disse foreløbige fælles bestræbelser har også ført til et formelt forskningssamarbejde under en ARL Director's Research Award, det finanspolitiske initiativ for eksternt samarbejde 2018 mellem Wu og TTU.

Efter at have publiceret to artikler i videnskabelige tidsskrifter med stor gennemslagskraft i det seneste år, holdet er klar til at forfølge yderligere energiforskning med aluminiumsnanopartikler ved at arbejde med U.S. Army Research, Udviklings- og teknikkommando hos Picatinny Arsenal, New Jersey, og Air Force Research Laboratory.