El uso de películas delgadas (de no más de unos pocos trozos de papel de cuaderno de grosor) de un químico explosivo común, Los investigadores de Sandia National Laboratories estudiaron cómo comienzan y crecen las explosiones a pequeña escala. Sandia es el único laboratorio en los EE. UU. Que puede producir películas delgadas tan detonables.

Estos experimentos avanzaron en el conocimiento fundamental de las detonaciones. Los datos también se utilizaron para mejorar un programa de modelado informático desarrollado por Sandia utilizado por universidades, empresas privadas y el Departamento de Defensa para simular cómo se inician y propagan detonaciones a gran escala.

"Es ordenado, Realmente estamos empujando los límites en la escala a la que puede detonar y lo que puede hacer con los explosivos en términos de cambiar varias propiedades, "dijo Eric Forrest, el investigador principal del proyecto. "La teoría tradicional de los explosivos dice que no debería ser posible detonar a estas escalas de longitud, pero hemos podido demostrar que De hecho, usted puede."

Forrest y el resto del equipo de investigación, compartió su trabajo estudiando las características de estas películas delgadas y las explosiones que producen en dos artículos publicados recientemente en Materiales e interfaces aplicados de ACS y Propelentes Explosivos Pirotécnica .

Para sus estudios, el equipo utilizó PETN, también conocido como tetranitrato de pentaeritritol, que es un poco más potente que TNT, libra por libra. Es comúnmente utilizado por la industria minera y por los militares.

Típicamente, PETN se presiona en cilindros o gránulos para su uso. En cambio, el equipo de investigación utilizó un método llamado deposición física de vapor, también utilizado para fabricar paneles solares de segunda generación y para revestir algunas joyas, para "hacer crecer" películas delgadas de PETN.

Sandia es el único laboratorio en los EE. UU. Que tiene las habilidades y el equipo para usar esta técnica para hacer películas explosivas delgadas que pueden detonar. dijo Rob Knepper, un experto en explosivos de Sandia involucrado en el proyecto.

Cultivo y estudio de películas explosivas delgadas.

A partir de finales de 2015, el equipo cultivó películas delgadas de PETN en diferentes tipos de superficies para determinar cómo afectaría eso a las características de las películas. Comenzaron con trozos de silicona del tamaño de una uña meñique y desarrollaron películas que tenían aproximadamente una décima parte del grosor de un trozo de papel. demasiado delgado para explotar. Algunas de las piezas de silicona estaban muy limpias, algunos estaban moderadamente limpios, y algunos estaban recién salidos de la caja y, por lo tanto, tenían una capa muy fina de suciedad:50, 000 veces más delgado que una hoja de papel.

Sobre las superficies de silicona muy limpias, las películas de PETN formaron lo que parecían ser placas lisas mediante microscopía electrónica de barrido, sin embargo, tenía pequeñas grietas entre las placas, algo así como barro seco en el lecho de un lago seco. Sobre las superficies sucias de silicona, la superficie de las películas de PETN parecía más parecida a colinas uniformes.

Usando una técnica basada en rayos X, Los investigadores determinaron que esto se debe a que las moléculas de PETN se orientan de manera diferente en superficies sucias en comparación con superficies muy limpias. y así la película crece de manera diferente, Dijo Forrest.

"Este estudio en particular ha demostrado que podemos conseguir no solo novedades, pero formas muy útiles de explosivos tradicionales que nunca podrías lograr por medios tradicionales, "Dijo Forrest." Controlar con precisión las propiedades de la película nos permite investigar teorías para comprender mejor la iniciación explosiva, lo que nos permitirá predecir mejor la confiabilidad, rendimiento y seguridad de los sistemas explosivos a través de modelos mejorados ".

Knepper, quien sirvió como mentor de Forrest en el proyecto, acordado. "Desarrollar una forma en la que podamos controlar de forma reproducible la microestructura de las películas, solo a través de la manipulación de la superficie, es importante. Ahora, Nuestro enfoque está en el uso de estas películas para ampliar nuestra comprensión de las propiedades explosivas a pequeña escala, como la iniciación y el fracaso de los explosivos ".

Pruebas a pequeña escala para mejorar los modelos informáticos.

Una vez que se comprendieron mejor las características y propiedades de las películas delgadas, el equipo de investigación creció películas más gruesas, esta vez del grosor de dos hojas de papel de cuaderno, en piezas de plástico muy limpias del tamaño de un dedo meñique.

Luego, con una explosión, detonaron las películas explosivas dentro de un recinto de seguridad especialmente diseñado llamado "boombox, "que fue diseñado para evitar que se inicie una detonación mientras el recinto estaba abierto y contener cualquier residuo de la detonación. Usando una cámara de ultra alta velocidad que puede tomar hasta mil millones de fotogramas por segundo, vieron cómo la onda de choque se elevaba mientras la explosión atravesaba la delgada película.

En colaboración con el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México en Socorro, el equipo de investigación desarrolló una configuración especializada para ver la onda de choque a pesar del humo y los escombros de las explosiones de prueba utilizando imágenes de Schlieren, una técnica que puede detectar diferencias en la densidad del aire similar al brillo sobre una carretera caliente.

Un estudiante de maestría en ingeniería mecánica de New Mexico Tech, Julio Peguero, usó los datos de estos experimentos para refinar el programa de modelado por computadora de explosivos de Sandia. El programa, llamado CTH, se puede utilizar para aplicaciones, como para determinar la mejor forma de dar forma a las cargas explosivas durante la perforación en busca de petróleo, Dijo Knepper.

Peguero trazó la velocidad de las ondas de choque sobre las películas con y sin espacios y adaptó el programa de computadora para que coincidiera mejor con sus resultados experimentales en películas muy delgadas. El equipo diseñó películas delgadas con grietas en el medio de varios tamaños, que van desde un tercio del ancho de un cabello humano hasta 1 1/3 del ancho de un cabello, para comprender mejor la confiabilidad de las películas delgadas y cómo pueden fallar las detonaciones. El equipo descubrió que los espacios alrededor del tamaño de un cabello podrían detener la detonación.

Forrest estaba particularmente interesado en los estudios de brechas porque el primer estudio encontró grietas finas entre las placas muy lisas de algunas de las películas. Aunque estas grietas eran mucho más pequeñas que incluso una décima parte del ancho de un cabello, los datos del estudio de brechas proporcionaron información sobre el rendimiento de estas películas.

Peguero, que ahora es un empleado de Sandia comenzó a trabajar en el proyecto en enero de 2018, primero como estudiante y luego como pasante de Sandia. "Además de la emoción de realizar investigaciones sobre explosivos, Adquirí una apreciación por la incertidumbre y los riesgos de la medición, Peguero dijo. "Eso es especialmente importante para el trabajo de seguridad nacional para garantizar que se comprenda bien nuestra confianza en nuestras medidas".

Knepper estuvo de acuerdo en la importancia del proyecto. Él dijo, "Cuando tienes datos experimentales a pequeña escala, especialmente aquellos que son relevantes para la frontera entre lo que puede detonar y lo que no puede, esos datos pueden ser realmente útiles para calibrar modelos de computadora. También, ser capaz de tener una buena caracterización de la microestructura explosiva para entrar en los modelos ayuda a tener parámetros que pueden predecir con éxito el rendimiento en una gama más amplia de comportamientos explosivos ".