Los científicos del Centro de Materiales Energéticos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y el Departamento de Ingeniería de Materiales de la Universidad de Purdue han utilizado simulaciones realizadas en la supercomputadora Quartz del LLNL para descubrir un mecanismo general que acelera la química en la detonación de explosivos críticos para administrar las reservas nucleares de la nación. Su investigación aparece en la edición del 15 de julio del Journal of Physical Chemistry Letters .

Los altos explosivos insensibles basados ​​en TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenceno) ofrecen propiedades de seguridad mejoradas en comparación con los explosivos más convencionales, pero las explicaciones físicas de estas características de seguridad no están claras. Se entiende que la iniciación explosiva surge de puntos calientes que se forman cuando una onda de choque interactúa con defectos microestructurales como los poros. La compresión ultrarrápida de los poros conduce a un pico de temperatura intenso y localizado, lo que acelera las reacciones químicas necesarias para iniciar la combustión y, en última instancia, la detonación. Los modelos de ingeniería para explosivos de gran potencia insensibles, utilizados para evaluar la seguridad y el rendimiento, se basan en el concepto de punto crítico, pero presentan dificultades para describir una amplia gama de condiciones, lo que indica que falta física en esos modelos.

Usando simulaciones de supercomputadoras de dinámica molecular reactiva resueltas atómicamente a gran escala, el equipo se propuso calcular directamente cómo se forman y crecen los puntos críticos para comprender mejor qué los hace reaccionar.

Las reacciones químicas generalmente se aceleran cuando aumenta la temperatura, pero existen otros mecanismos potenciales que podrían influir en las velocidades de reacción.

"Las simulaciones recientes de dinámica molecular han demostrado que las regiones de deformación plástica intensa, como las bandas de corte, pueden soportar reacciones más rápidas", explicó el autor de LLNL, Matthew Kroonblawd. "También se observaron velocidades aceleradas similares en las primeras simulaciones de dinámica molecular reactiva de los puntos críticos, pero las razones de las reacciones aceleradas en las bandas de cizallamiento y los puntos críticos no estaban claras".

La principal ventaja y el poder predictivo de las simulaciones de dinámica molecular provienen de su resolución completa de todos los movimientos atómicos durante un evento dinámico.

"Estas simulaciones generan enormes cantidades de datos, lo que puede dificultar la obtención de conocimientos físicos generales sobre cómo los movimientos atómicos gobiernan la respuesta material colectiva", dijo Ale Strachan de la Universidad de Purdue.

Para lidiar mejor con este problema de big data, el equipo recurrió a técnicas modernas de análisis de datos. A través del análisis de agrupamiento, el equipo descubrió que dos descriptores de estado molecular estaban conectados con las tasas de reacción química. Uno de ellos es la temperatura, que se entiende bien a partir de la termoquímica tradicional. El otro descriptor importante es una métrica recientemente propuesta para la energía asociada con las deformaciones de la forma de la molécula, es decir, la energía de deformación intramolecular.

"En condiciones ambientales, las moléculas de TATB adoptan una forma plana", dijo Brenden Hamilton de la Universidad de Purdue, "y esta forma conduce a un empaque de cristal altamente resistente que se cree que está relacionado con la insensibilidad inusual de TATB".

El análisis de agrupamiento del equipo reveló que las moléculas en un punto de acceso que son expulsadas de su forma plana de equilibrio reaccionan más rápidamente; las deformaciones mecánicas de las moléculas en regiones de intenso flujo de material plástico conducen a una aceleración mecanoquímica de las tasas.

Se sabe que la química impulsada mecánicamente (mecanoquímica) opera en muchos sistemas, que van desde la manipulación precisa de enlaces a través de "pinzas" de microscopía de fuerza atómica hasta la molienda de bolas a escala industrial.

La mecanoquímica que opera en los explosivos sometidos a choque no se desencadena directamente, sino que resulta de una cascada complicada de procesos físicos que se inician cuando un choque induce deformaciones en el material plástico.

"Distinguimos este tipo de proceso, en el que la mecanoquímica es una consecuencia posterior de una larga cadena de eventos, como mecanoquímica extemporánea", dijo Hamilton, y "esto contrasta con la mecanoquímica premeditada más ampliamente estudiada en la que el estímulo inicial induce directamente una mecanoquímica". reacción."

El trabajo proporciona pruebas claras de que la mecanoquímica de las moléculas deformadas es responsable de acelerar las reacciones en los puntos críticos y en otras regiones de deformación plástica, como las bandas de cizallamiento.

"Este trabajo proporciona un vínculo cuantitativo entre la química de ignición de puntos calientes y el reciente descubrimiento de LLNL 2020 de ignición de banda de corte, que proporciona una base firme para formular modelos explosivos basados ​​​​en la física más general", dijo Kroonblawd. "La inclusión de efectos mecanoquímicos en los modelos de explosivos mejorará su base física y permitirá mejoras sistemáticas para evaluar el rendimiento y la seguridad con precisión y fiabilidad". + Explora más

Las simulaciones explican las propiedades de detonación en TATB