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Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Energetic Materials Center e del Dipartimento di ingegneria dei materiali della Purdue University hanno utilizzato simulazioni eseguite sul supercomputer LLNL Quartz per scoprire un meccanismo generale che accelera la chimica nella detonazione di esplosivi fondamentali per la gestione delle scorte nucleari della nazione. La loro ricerca è stata pubblicata nel numero del 15 luglio del Journal of Physical Chemistry Letters .
Gli esplosivi ad alto potenziale insensibili a base di TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene) offrono proprietà di sicurezza migliorate rispetto agli esplosivi più convenzionali, ma le spiegazioni fisiche di queste caratteristiche di sicurezza non sono chiare. Si ritiene che l'inizio esplosivo derivi da punti caldi che si formano quando un'onda d'urto interagisce con difetti microstrutturali come i pori. La compressione ultraveloce dei pori porta a un intenso picco di temperatura localizzato, che accelera le reazioni chimiche necessarie per avviare la combustione e, infine, la detonazione. I modelli ingegneristici per esplosivi ad alto potenziale insensibili, utilizzati per valutare la sicurezza e le prestazioni, si basano sul concetto di hotspot ma hanno difficoltà a descrivere un'ampia gamma di condizioni, indicando la mancanza di fisica in quei modelli.
Utilizzando simulazioni di supercomputer di dinamica molecolare reattiva su larga scala risolte atomicamente, il team mirava a calcolare direttamente come si formano e crescono gli hotspot per capire meglio cosa li fa reagire.
Le reazioni chimiche generalmente accelerano all'aumentare della temperatura, ma esistono altri potenziali meccanismi che potrebbero influenzare le velocità di reazione.
"Recenti simulazioni di dinamica molecolare hanno dimostrato che le regioni con un'intensa deformazione plastica, come le bande di taglio, possono supportare reazioni più rapide", ha spiegato l'autore di LLNL Matthew Kroonblawd. "Tassi accelerati simili sono stati osservati anche nelle prime simulazioni di dinamica molecolare reattiva degli hotspot, ma le ragioni delle reazioni accelerate nelle bande di taglio e negli hotspot non erano chiare".
Il principale vantaggio e potere predittivo delle simulazioni di dinamica molecolare deriva dalla loro completa risoluzione di tutti i movimenti degli atomi durante un evento dinamico.
"Queste simulazioni generano enormi quantità di dati, che possono rendere difficile ricavare intuizioni fisiche generali su come i movimenti degli atomi governano la risposta materiale collettiva", ha affermato Ale Strachan della Purdue University.
Per affrontare meglio questo problema dei big data, il team si è rivolto a moderne tecniche di analisi dei dati. Attraverso l'analisi di clustering, il team ha scoperto che due descrittori di stato molecolare erano collegati alle velocità di reazione chimica. Uno di questi è la temperatura, che è ben compresa dalla termochimica tradizionale. L'altro importante descrittore è una nuova metrica proposta per l'energia associata alle deformazioni della forma della molecola, cioè l'energia di deformazione intramolecolare.
"A condizioni ambientali, le molecole di TATB adottano una forma planare", ha affermato Brenden Hamilton della Purdue University, "e questa forma porta a un imballaggio cristallino altamente resiliente che si pensa sia collegato all'insolita insensibilità di TATB".
L'analisi del clustering del team ha rivelato che le molecole in un punto caldo che sono guidate dalla loro forma planare di equilibrio reagiscono più rapidamente; le deformazioni meccaniche delle molecole nelle regioni di intenso flusso di materiale plastico portano a un'accelerazione meccanochimica delle velocità.
È noto che la chimica a comando meccanico (meccanochimica) opera in molti sistemi, che vanno dalla manipolazione di precisione dei legami alle "pinzette" per microscopia a forza atomica alla fresatura a sfere su scala industriale.
La meccanochimica che opera negli esplosivi sotto shock non viene attivata direttamente, ma risulta da una complicata cascata di processi fisici che iniziano quando uno shock induce deformazioni del materiale plastico.
"Distinguiamo questo tipo di processo - in cui la meccanochimica è una conseguenza a valle di una lunga catena di eventi - come meccanochimica estemporanea", ha detto Hamilton, e "questo contrasta con la meccanochimica premeditata più ampiamente studiata in cui lo stimolo iniziale induce direttamente una meccanochimica reazione."
Il lavoro fornisce una chiara evidenza che la meccanochimica delle molecole deformate è responsabile dell'accelerazione delle reazioni negli hotspot e in altre regioni di deformazione plastica, come le bande di taglio.
"Questo lavoro fornisce un collegamento quantitativo tra la chimica dell'accensione degli hotspot e la recente scoperta LLNL del 2020 dell'accensione della banda di taglio, che fornisce una solida base per la formulazione di modelli esplosivi basati sulla fisica più generali", ha affermato Kroonblawd. "L'inclusione degli effetti meccanochimici nei modelli di esplosivi migliorerà la loro base fisica e consentirà miglioramenti sistematici per valutare le prestazioni e la sicurezza in modo accurato e affidabile". + Esplora ulteriormente
