Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en colaboración con la Universidad de Nevada Las Vegas (UNLV) han descubierto una transición de fase inducida por presión previamente desconocida para TATB que puede ayudar a predecir el rendimiento de detonación y la seguridad del explosivo. La investigación aparece en la edición en línea del 13 de mayo de la Letras de física aplicada y se destaca como portada y artículo destacado.

1, 3, 5-triamino-2, 4, 6- trinitrobenceno (TATB), el estándar de la industria para un alto explosivo insensible, se destaca como la opción óptima cuando la seguridad (insensibilidad) es de suma importancia. Entre materiales similares con liberación de energía explosiva comparable, TATB es notablemente difícil de iniciar el choque y tiene una baja sensibilidad a la fricción. Las causas de este comportamiento inusual se esconden en la evolución estructural de alta presión de TATB. Simulaciones en supercomputadora de explosivos detonando, funcionando en las máquinas más potentes del mundo en LLNL, dependen de conocer la ubicación exacta de los átomos en la estructura cristalina de un explosivo. El conocimiento preciso de la disposición atómica bajo presión es la piedra angular para predecir el rendimiento de detonación y la seguridad de un explosivo.

El equipo realizó experimentos utilizando una celda de yunque de diamante, que comprimieron monocristales TATB a una presión de más de 25 GPa (250, 000 veces la presión atmosférica). Según todos los estudios experimentales y teóricos previos, Se creía que la disposición atómica en la estructura cristalina de TATB permanece igual bajo presión. El equipo del proyecto desafió el consenso en el campo con el objetivo de aclarar el comportamiento estructural de alta presión de TATB.

El principal desafío experimental fue la estructura cristalina de simetría extremadamente baja de TATB, haciendo que las técnicas de difracción de rayos X convencionales para células de yunque de diamante no sean factibles. En lugar de, el equipo experimental utilizó difracción de rayos X monocristalino bajo presión, por primera vez en el caso de un material orgánico de baja simetría como TATB.

"El tema de las transiciones de fase en TATB comprimido se ha debatido durante décadas. Estábamos seguros de que nuestro enfoque eventualmente resolvería este problema, pero fue mucho más difícil encontrar la respuesta de lo que esperábamos, "dijo Oliver Tschauner, profesor del departamento de geociencias de la UNLV.

Asombrosamente, Los resultados experimentales revelaron una transición previamente desconocida a una fase monoclínica de mayor simetría por encima de 4 GPa. Los resultados experimentales permitieron al equipo determinar las características básicas (parámetros de la red y volumen celular) de la estructura cristalina de alta presión y la ecuación de estado (densidad en función de la presión) por encima de la transición de fase. Sin embargo, el equipo no se detuvo en este punto

"Aunque los resultados experimentales nos permitieron aplicar correcciones importantes a la ecuación de estado TATB, estábamos decididos a ir un paso más allá y comprender la naturaleza de la transición de fase y la estructura exacta de la fase de alta presión, "explicó Elissaios Stavrou, miembro del personal de la División de Ciencia de Materiales de LLNL.

Para ayudar a desentrañar la fase de alta presión, Los teóricos de LLNL emplearon un algoritmo de búsqueda estructural evolutiva (USPEX) que ayuda a explorar las estructuras de alta presión de TATB. Los resultados teóricos no solo confirmaron los hallazgos experimentales, sino que también aclararon la estructura exacta de la fase de alta presión.

"Casi todo lo relacionado con un material puede derivarse de su estructura cristalina, "dijo Brad Steele, científico postdoctoral en la División de Ciencia de Materiales del LLNL y autor principal de la investigación. "En este artículo mostramos que podemos predecir la estructura cristalina incluso para un material energético grande / complicado como TATB. Los métodos utilizados tienen muchas aplicaciones potenciales en el campo de la ciencia de los materiales".

Según los resultados de USPEX, El equipo determinó que la transición de fase implica un desplazamiento en el plano inducido por la presión de las capas grafíticas de moléculas TATB en la fase de presión ambiental.

Matthew Kroonblawd, un miembro del personal de la División de Ciencia de Materiales de LLNL, explicado con más detalle:"TATB es muy difícil de modelar, pero pudimos relacionar las fases antigua y nueva utilizando herramientas computacionales generalizadas que desarrollamos específicamente para estos complicados materiales moleculares. Esta nueva etapa resuelve las conjeturas que persisten desde la década de 1970 ".

El equipo planea utilizar la misma combinación de técnicas experimentales y teóricas de vanguardia para descubrir posibles transiciones de fase en otros materiales energéticos. Sin embargo, la metodología utilizada en este estudio no se limita a materiales energéticos y amplía sustancialmente la capacidad del equipo para revelar las estructuras cristalinas y las estequiometrías en condiciones termodinámicas variables.