Un team di scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha dimostrato che la struttura dei pori microscopici nei materiali ad alto potenziale esplosivo può avere un impatto significativo sulle prestazioni e sulla sicurezza. Questi risultati — pubblicati di recente come articolo di copertina sulla rivista propellenti, esplosivi, pirotecnica — aprire le porte alla possibilità di mettere a punto esplosivi ad alto potenziale ingegnerizzandone la microstruttura.

"La cosa divertente degli esplosivi è che hanno questi piccoli difetti, pori e buchi, " ha detto il ricercatore Keo Springer, autore principale dell'articolo e ricercatore presso la High Explosives Applications Facility di LLNL. "Si scopre che questa è una parte importante di ciò che li fa funzionare. Prestazioni esplosive, in senso lato, non è solo una questione di chimica, è una questione di microstruttura."

Nella maggior parte degli esplosivi ad alto potenziale, la detonazione viene avviata attraverso un processo in cui i pori vengono compressi da un'onda d'urto. Quando un poro collassa, crea un punto caldo in grado di innescare una reazione chimica nei microscopici grani cristallini di materiale esplosivo. Questa ricerca si è concentrata su un composto esplosivo chiamato HMX, che è noto per essere più sensibile e più pericoloso con cui lavorare rispetto ad altri esplosivi. La domanda fondamentale alla base di questo studio era se fa differenza se i pori si trovano all'interno dei grani o sulla loro superficie.

"Abbiamo scoperto che quando i pori sono in superficie, accelerano la reazione, " ha detto Springer. "Abbiamo anche scoperto che se un'onda d'urto colpisce un certo numero di pori superficiali contemporaneamente, si avviano a vicenda. È una festa esplosiva, e fanno festa bene insieme."

Oltre alla posizione dei pori, il team ha esaminato se fa la differenza se la porosità è distribuita su molti piccoli pori o su un numero inferiore di pori più grandi. Mentre hanno dimostrato che molti piccoli pori possono lavorare insieme per accelerare la combustione reciproca, sono stati anche in grado di identificare una soglia in cui i pori diventano così piccoli che la reazione si estingue.

Questo esame è stato condotto in una serie di simulazioni numeriche su supercomputer LLNL con il codice multifisico, ALE3D. Passi successivi per il team di ricerca:Springer, insieme agli scienziati LLNL Sorin Bastea, Al Nichols, Craig Tarver e Jack Reaugh—includono la verifica che le simulazioni numeriche catturino i processi fisici e chimici reali. Un modo diretto per farlo è condurre esperimenti su microscala per quantificare i meccanismi di collasso dei pori e la reattività.

"La convalida è la parte difficile, " ha detto Springer. "Idealmente, ci vorrebbe davvero una buona lente d'ingrandimento e la capacità di fermare il tempo. Stiamo parlando di una risoluzione submicronica con una velocità dell'otturatore dell'ordine dei nanosecondi. La cosa bella è che la comunità di ricerca sta iniziando a lavorare su questo.

"Se siamo in grado di progettare proprietà di iniziazione nella microstruttura degli esplosivi, sarebbe un punto di svolta per l'industria e per la sicurezza delle scorte nucleari. Ma abbiamo una lunga strada da percorrere per realizzare quella visione. Questo tipo di ricerca è molto importante, ma solo uno dei primi passi".