Gli esplosivi hanno un problema intrinseco:dovrebbero essere perfettamente sicuri per la manipolazione e lo stoccaggio, ma detonare in modo affidabile su richiesta. Utilizzando la modellazione al computer e una nuova tecnica di progettazione delle molecole, gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno sostituito un "braccio" di una molecola esplosiva per aiutare a svelare i primi passi nel processo di detonazione e comprenderne meglio la sensibilità, la facilità con cui inizia una reazione violenta.

"È iniziato con, possiamo prendere un comune esplosivo iniziatore pentaeritritolo tetranitrato (PETN) e sostituirne parti per modificare le proprietà di sensibilità, " ha detto il chimico degli esplosivi Virginia Manner. "Così abbiamo sostituito un braccio di PETN con vari gruppi non energetici per vedere come quei diversi gruppi potrebbero cambiare la sensibilità della molecola complessiva. Questa è la prima volta che prendiamo un sistema fondamentale come questo e ne cambiamo diverse parti per vedere come potrebbe influenzare la sensibilità".

La ricerca è stata pubblicata oggi in Scienze chimiche il "giornale di punta" per la Royal Society of Chemistry.

I ricercatori sono stati in grado di modificare la sensibilità dei materiali di tipo PETN, rendendoli entrambi meno sensibili e più sensibili. Il PETN è stato inventato in Germania nel 1894, è uno dei materiali esplosivi più potenti, ed è tipicamente utilizzato solo in piccole quantità a causa della sua sensibilità relativamente elevata.

Un altro nuovo approccio a questa ricerca è la stretta collaborazione tra chimici e modellatori di computer a Los Alamos.

"Circa tre anni fa mi sono reso conto che un po' di modellismo avrebbe davvero aiutato, " ha detto Manner. "Così ho chiesto a Marc Cawkwell di lavorare con me e mi sono reso conto che avevamo idee completamente diverse su ciò che rendeva gli esplosivi sensibili. Pensavo fosse tutta una chimica fondamentale e lui pensava che fossero le proprietà meccaniche che controllano se un esplosivo è insensibile o sensibile. Nel corso di questo lavoro ci siamo lentamente convinti l'un l'altro che ci sbagliavamo entrambi!"

"O piuttosto, in parte giusto!" ha aggiunto Cawkwell.

Utilizzando un codice informatico di dinamica molecolare scritto a Los Alamos chiamato "LATTE" Cawkwell è in grado di modellare la creazione e la rottura dei legami chimici negli esplosivi in ​​modo molto accurato.

"La chimica deriva dalla struttura elettronica di una molecola, " ha detto Cawkwell. "Con LATTE possiamo calcolare con precisione l'energia di una molecola e la forza su ogni atomo dalla sua struttura elettronica, che ci permette di propagare le posizioni di tutti gli atomi in avanti nel tempo e far evolvere il sistema. Se la temperatura e la pressione sono abbastanza alte, vediamo una cascata di sostanze chimiche che avvia un'esplosione".

La modellazione viene quindi utilizzata per interpretare gli esperimenti sotto forma di test di impatto con caduta di peso, per vedere se un esplosivo appena sintetizzato inizia facilmente (sensibile) o richiede più forza (insensibile) per esplodere.

Ciò che fornisce la modellazione è una comprensione molto più profonda dei processi sottostanti in una detonazione. "Ci ha davvero permesso di comprendere questi esperimenti di caduta di peso abbastanza semplici in squisiti dettagli atomistici, " disse Cawkwell. "Per esempio, la reazione di "apertura della cerniera" in PETN che è stata identificata dal nostro collega Ed Kober dalle simulazioni LATTE era qualcosa che nessuno di noi poteva prevedere."

"L'obiettivo finale è vedere se possiamo mettere a punto in modo predittivo gli esplosivi, "ha detto Manner. "In futuro la gente vorrà sapere, come possiamo rendere gli esplosivi più o meno sicuri o sensibili, in particolare per le applicazioni di scorte nucleari. Generalmente, le persone stanno solo guardando questi esplosivi che esistono da 100 anni o più e cercano di capirli. Quindi abbiamo pensato che se potessimo creare un sistema in cui sintonizzassimo sistematicamente la sensibilità, dove comprendiamo veramente le proprietà molecolari che stanno influenzando maggiormente l'iniziazione, allora potremmo guidare lo sviluppo di nuovi esplosivi in ​​futuro."