Due scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno scoperto un nuovo meccanismo per l'accensione di esplosivi ad alto potenziale che spiega le insolite proprietà di detonazione di 1, 3, 5-triammino-2, 4, 6-trinitrobenzene (TATB).

La ricerca consentirà miglioramenti sistematici dei modelli di meccanica del continuo utilizzati per valutare le prestazioni e la sicurezza del materiale in modo accurato e affidabile.

Gli esplosivi altamente insensibili offrono proprietà di sicurezza notevolmente migliorate rispetto agli esplosivi più convenzionali, ma le proprietà fisiche responsabili delle caratteristiche di sicurezza non sono chiare. Tra gli esplosivi, TATB è quasi unico nei suoi compromessi tra sicurezza ed energia.

I modelli ingegneristici per la sicurezza dell'inizio degli shock e le prestazioni di detonazione degli esplosivi si basano su modelli fisici incentrati sulla formazione e la crescita di punti caldi (regioni locali di temperatura elevata che accelerano le reazioni chimiche) pensati per governare queste risposte. Però, i modelli per TATB basati sul concetto di hot spot finora non sono stati in grado di descrivere contemporaneamente sia i regimi di iniziazione che di detonazione. Ciò indica che la fisica manca nella comprensione fondamentale di quali processi spingono gli alti esplosivi insensibili a esplodere.

Per scoprire questi fisici mancanti, il team ha utilizzato simulazioni di supercomputer che coinvolgono molti milioni di atomi per sbirciare la risposta del materiale subito dietro un'onda d'urto di detonazione. Quello che hanno trovato è stata la formazione dinamica di una complicata rete di bande di taglio nel materiale. Le fasce di taglio sono regioni locali di materiale altamente disordinato che vengono prodotte quando il materiale si rompe sotto sollecitazioni estreme. Anche se la risposta non è stata del tutto inaspettata, non era chiaro cosa significasse.

"Si prevede e si osserva che le bande di taglio si formano in molti esplosivi, ma il significato chimico della loro formazione non è ben noto, " ha detto lo scienziato LLNL Larry Fried, uno degli autori del saggio. Nonostante questa incertezza, gli scienziati pensavano di avere una pista sulla fisica mancante.

Per rispondere alle domande sulla reattività chimica delle bande di taglio è stato necessario ricorrere ad approcci di simulazione della dinamica molecolare (QMD) basati su quantistica e al calcolo ad alte prestazioni. "La sfida principale con QMD è che può essere applicato solo a piccoli sistemi, quindi abbiamo sviluppato una tecnica di modellazione multiscala per esaminare la chimica della banda di taglio e delle regioni cristalline in elementi di volume rappresentativi, " ha spiegato Matt Kroonblawd, autore principale dello studio.

Attraverso il bridging di scala con QMD, il team ha scoperto che il materiale disordinato nelle bande di taglio si attiva chimicamente. Le bande sono formate in TATB fortemente shockato e reagiscono 200 volte più velocemente del cristallo, che fornisce una spiegazione fisica del motivo per cui i modelli ingegneristici richiedevano "funzioni di commutazione" empiriche per passare tra l'innesco dello shock e le situazioni di detonazione.

Gli scienziati descrivono questo fenomeno appena scoperto come "attivazione chimica attraverso bande di taglio, " che porta a velocità di reazione maggiori senza il riscaldamento locale tipicamente evocato dal paradigma del punto caldo. Catturare questa risposta nei modelli di esplosivi migliorerà la loro base fisica e consentirà miglioramenti sistematici per valutare le prestazioni e la sicurezza in modo più accurato e affidabile.

La ricerca appare nell'edizione online del 22 maggio di Lettere di revisione fisica .