Per la prima volta negli Stati Uniti, lo scattering di raggi X a piccolo angolo risolta nel tempo (TRSAXS) viene utilizzato per osservare il clustering di carbonio ultraveloce e la produzione di grafite e nanodiamante nell'esplosivo insensibile Plastic Bonded Explosive (PBX) 9502, potenzialmente portando a migliori modelli informatici di prestazioni esplosive.

"Gli ammassi di carbonio sono prodotti durante il processo chimico di detonazione in esplosivi ad alto potenziale, " disse Dana Dattelbaum, della Divisione di Scienze Esplosive e Fisica degli Urti. "La dimensione delle particelle di carbonio, forma, composizione e la loro evoluzione nel tempo ci aiuta a capire come gli esplosivi forniscono energia in un determinato lasso di tempo".

La ricerca è stata pubblicata nella versione online del Journal of Physical Chemistry C in agosto. Utilizzando TRSAXS presso il nuovo settore della compressione dinamica dell'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory, i ricercatori dei laboratori nazionali di Los Alamos e Lawrence Livermore hanno fatto esplodere piccoli campioni di PBX 9502 a base di TATB (triamino trinitrobenzene), mentre i raggi X ad alta brillantezza sono dispersi dai prodotti di carbonio solido formati nella detonazione. I collaboratori includevano anche scienziati e tecnici dell'Argonne e della Washington State University.

Il PBX 9502 è un alto esplosivo insensibile ampiamente utilizzato nel deterrente nucleare degli Stati Uniti. Gli alti esplosivi sono usati per portare il nucleare "primario" a una massa critica, innescando una detonazione nucleare. Gli alti esplosivi insensibili sono molto difficili da far esplodere accidentalmente, e sono considerati estremamente sicuri. Però, l'esatto processo chimico del trasferimento di energia è ancora in gran parte sconosciuto. I ricercatori hanno scoperto che la creazione di cluster di carbonio avviene molto più velocemente di quanto si pensasse in precedenza, e la composizione del carbonio è molto diversa da quella ipotizzata.

"Un risultato inaspettato e significativo di questa ricerca è stato il rapporto tra grafite e diamante dedotto dal contrasto dei raggi X dalle misurazioni di dispersione, " ha detto Dattelbaum. "Nel far esplodere il PBX 9502 basato su TATB, abbiamo scoperto che circa l'80% di grafite e il 20% di diamante si sono formati quando ci aspettavamo di vedere una percentuale molto più alta di carbonio simile al diamante".

I prodotti della detonazione, la dinamica granulometrica e il tipo di carbonio prodotto possono correlare direttamente al tipo di esplosivo, e migliorare i modelli informatici di prestazioni esplosive, portando a una migliore capacità predittiva nel garantire la sicurezza, sicurezza, ed efficacia del deterrente nucleare statunitense.

L'analisi dei dati di diffusione dei raggi X da TRSAXS ha rivelato una rapida crescita iniziale di cluster di carbonio entro 200 nanosecondi dietro il fronte dell'onda d'urto nel campione esplosivo di tre grammi. L'analisi dei prodotti recuperati ha rivelato che la dimensione delle particelle non superava un diametro di 8,4 nanometri e che la dimensione delle particelle ha confermato che la crescita delle particelle non è continuata dopo 200 nanosecondi per questa dimensione di carica.

"Quello che stiamo davvero cercando di fare è capire come questo processo si evolve nel tempo, " Disse Dattelbaum, "così possiamo prevedere meglio la velocità e l'energia fornite da un dato esplosivo".