La investigación realizada en la supercomputadora Quartz del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) destaca los hallazgos realizados por científicos que revelan un aspecto faltante de la física de los puntos calientes en TATB (1, 3, 5-trimamino-2, 4, 6-trinitrobenceno) y otros explosivos.

Los hotspots son regiones localizadas de temperatura elevada que se forman a partir del colapso de la porosidad microestructural inducido por el impacto y se sabe que gobiernan las propiedades de iniciación y detonación del impacto de los explosivos. El concepto principal detrás de los hotspots es que las temperaturas elevadas aceleran la química local.

La investigación aparece en la edición del 11 de marzo de la Revista de letras de química física y fue una colaboración entre LLNL y Purdue University. Los autores incluyen a Matthew Kroonblawd de LLNL y Brenden Hamilton, Chunyu Li y Alejandro Strachan de Purdue.

El trabajo destaca un aspecto físico desatendido de las primeras etapas de la formación y evolución del hotspot que proporciona una ruta para mejorar sistemáticamente los modelos multifísicos de iniciación y detonación de descargas que se utilizan para evaluar el rendimiento y la seguridad.

“Uno de los resultados más desconcertantes de las primeras simulaciones de dinámica molecular reactiva es que los puntos calientes formados en los poros colapsados ​​reaccionan mucho más rápidamente que los de tamaño equivalente, temperatura y presión en el material a granel, "Dijo Strachan." Mientras se reconoce, no se entendió la razón detrás de estas diferencias. Nuestro estudio resuelve esta cuestión en el sentido de que encontramos que el material explosivo en un poro colapsado es fundamentalmente diferente de la masa y que está en un estado de alta energía preparado para reacciones químicas ".

Importancia de comprender los puntos críticos

TATB es un explosivo de alto nivel insensible que es fundamental para el arsenal nuclear de la nación y es un desafío modelarlo a escala continua. Los modelos de ingeniería para la seguridad de explosivos y el rendimiento de detonación se basan en modelos físicos que se centran en la formación y el crecimiento de puntos calientes.

Kroonblawd explicó que "los modelos multifísicos de nivel continuo que se utilizan para evaluar la seguridad y el rendimiento son muy empíricos, lo que dificulta la creación de modelos explosivos que sean transferibles a diferentes condiciones de aplicación. La falta de modelos transferibles es especialmente cierta para los explosivos altos insensibles como TATB. Todavía no es posible construir un modelo explosivo a partir de primeros principios, lo que indica que faltan aspectos clave en nuestra comprensión de la física y la química de los puntos calientes ".

Estos modelos se basan en tratamientos precisos de reactividad química y transporte térmico; El hecho de que los puntos calientes crezcan y se fusionen en una onda de detonación está determinado por una competencia entre la tasa de generación de calor debido a la química y la pérdida de calor debido a la conducción térmica.

La identificación de la causa detrás de las diferencias en las tasas de reacción de los puntos calientes brinda un camino hacia la formulación de modelos explosivos más generales que mejorarán su precisión predictiva y transferibilidad. Si bien estos modelos se han centrado típicamente en la temperatura como la principal variable que controla la química, los hallazgos sugieren que reformular estos modelos en términos de energía potencial producirá un tratamiento más general que puede distinguir las diferentes reactividades de diferentes estados materiales.

A través de simulaciones de dinámica molecular de todos los átomos, los investigadores encontraron que los puntos calientes no son solo regiones de energía cinética localizada (o temperatura), pero también son regiones de energía potencial localizada. La cantidad de energía potencial es mucho mayor que la cantidad de energía cinética y se concentra en modos moleculares relevantes para la descomposición química.

La localización de la energía potencial se manifiesta debido a deformaciones a nivel molecular en regiones deformadas plásticamente del material y esto conducirá a una aceleración mecanoquímica de las reacciones.

"La conclusión clave es que no existe una relación de uno a uno entre la energía cinética y potencial en estos sistemas, por eso, no se pueden inferir las velocidades de reacción locales a partir de solo el campo de temperatura, "Dijo Hamilton.

El equipo realiza simulaciones a gran escala

La obra, realizado por el personal de la División de Ciencia de Materiales en el Centro de Materiales Energéticos (EMC) de LLNL y el Departamento de Ingeniería de Materiales en Purdue, fue apoyado por el Programa de Iniciativa Estratégica de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de LLNL con Lara Leininger, Director de EMC, como investigador principal. El trabajo consistió en ejecutar simulaciones de átomos a gran escala en la máquina de cómputo Livermore Quartz, y estas simulaciones se realizaron utilizando el tiempo de computación otorgado a través del Gran Desafío Computacional de LLNL.

Para estudiar las propiedades de relajación a largo plazo de la energía cinética y potencial en los puntos calientes, el equipo desarrolló un nuevo método llamado Shock Trapping Internal Bo limits.

"Generalmente, Las simulaciones de choque están limitadas en el tiempo hasta cuando una onda de choque alcanza el límite de simulación aguas abajo, que genera ondas de reflexión que alteran el estado, "Dijo Hamilton." En nuestro método, podemos aislar el hotspot, o cualquier región de interés, evitando que los reflejos interactúen con él para permitir un estudio continuo de la evolución del tiempo ".

Esto permitió al equipo cuantificar las tasas de relajación de la energía cinética y potencial para determinar que la energía potencial del punto caliente persiste después de que la conducción térmica disipa la energía cinética.

Las simulaciones de dinámica molecular predicen que se localiza más energía potencial en los puntos calientes de lo que sugeriría su energía cinética (o temperatura). El exceso de energía potencial está vinculado a estados moleculares tensos persistentes que están preparados para reacciones químicas y explican por qué los puntos calientes reaccionan más rápido que la masa.