Los explosivos tienen un problema inherente:deben ser perfectamente seguros para su manipulación y almacenamiento, pero detonan de manera confiable a pedido. Usando modelado por computadora y una técnica novedosa de diseño de moléculas, Los científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos han reemplazado un "brazo" de una molécula explosiva para ayudar a desentrañar los primeros pasos en el proceso de detonación y comprender mejor su sensibilidad:la facilidad con la que comienza una reacción violenta.

"Comenzó con, ¿Podemos tomar un tetranitrato de pentaeritritol (PETN) explosivo iniciador común y reemplazar partes del mismo para cambiar las propiedades de sensibilidad, ", dijo la química de explosivos Virginia Manner." Así que reemplazamos un brazo de PETN con varios grupos no energéticos para ver cómo esos diferentes grupos podrían cambiar la sensibilidad de la molécula en general. Esta es la primera vez que tomamos un sistema fundamental como este y cambiamos diferentes partes para ver cómo podría afectar la sensibilidad ".

La investigación fue publicada hoy en Ciencia química la "revista insignia" de la Royal Society of Chemistry.

Los investigadores pudieron cambiar la sensibilidad de los materiales de tipo PETN, haciéndolos menos sensibles y más sensibles. PETN se inventó en Alemania en 1894, es uno de los materiales explosivos más poderosos, y generalmente se usa solo en pequeñas cantidades debido a su sensibilidad relativamente alta.

Otro enfoque novedoso de esta investigación es la estrecha colaboración entre químicos y modeladores informáticos en Los Alamos.

"Hace unos tres años me di cuenta de que algunos modelos ayudarían mucho, ", dijo Manner." Así que le pedí a Marc Cawkwell que trabajara conmigo y me di cuenta de que teníamos ideas totalmente diferentes sobre lo que hacía que los explosivos fueran sensibles. Pensé que todo era química fundamental y él pensó que son las propiedades mecánicas las que controlan si un explosivo es insensible o sensible. En el transcurso de este trabajo, nos convencimos lentamente el uno al otro de que ambos estábamos equivocados ".

"O mejor, ¡En parte cierto! ", añadió Cawkwell.

Usando un código de computadora de dinámica molecular escrito en Los Alamos llamado "LATTE", Cawkwell es capaz de modelar la formación y ruptura de enlaces químicos en explosivos con mucha precisión.

"La química proviene de la estructura electrónica de una molécula, ", dijo Cawkwell." Con LATTE podemos calcular con precisión la energía de una molécula y la fuerza en cada átomo a partir de su estructura electrónica, lo que nos permite propagar las posiciones de todos los átomos hacia adelante en el tiempo y dejar que el sistema evolucione. Si la temperatura y la presión son lo suficientemente altas, entonces vemos una cascada de química que inicia una explosión ".

Luego, el modelado se utiliza para interpretar experimentos en forma de una prueba de impacto de caída de peso, para ver si un explosivo recién sintetizado se inicia fácilmente (sensible) o requiere más fuerza (insensible) para explotar.

Lo que proporciona el modelado es una comprensión mucho más profunda de los procesos subyacentes en una detonación. "Realmente nos permitió comprender estos experimentos de caída de peso bastante simples con exquisito detalle atomístico, "dijo Cawkwell." Por ejemplo, la reacción de 'desabrocharse' en PETN que fue identificada por nuestro colega Ed Kober a partir de las simulaciones de LATTE fue algo que ninguno de nosotros podía anticipar ".

"El objetivo final es ver si podemos sintonizar de manera predictiva los explosivos, ", dijo Manner." En el futuro, la gente querrá saber, ¿Cómo podemos hacer que los explosivos sean más o menos seguros o sensibles? particularmente para aplicaciones de arsenales nucleares. En general, la gente simplemente está mirando estos explosivos que han existido durante 100 años o más y trata de entenderlos. Así que pensamos que si podíamos crear un sistema en el que sintonizáramos sistemáticamente la sensibilidad, donde realmente entendemos las propiedades moleculares que más afectan la iniciación, entonces podríamos orientar el desarrollo de nuevos explosivos en el futuro ".