Riassunto:
Il pentaeritritolo tetranitrato (PETN) è un esplosivo ad alto potenziale ampiamente utilizzato, noto per la sua sensibilità agli stimoli esterni, che porta a occasionali guasti alla detonazione. Comprendere i meccanismi alla base di questi guasti è fondamentale per migliorare l’affidabilità degli esplosivi a base PETN. In questo studio, utilizziamo simulazioni atomistiche per studiare il comportamento di rottura del PETN in varie condizioni. Riveliamo che il fallimento del PETN è intimamente legato alla formazione di intermedi di reazione metastabili, vale a dire gli intermedi nitroformio e nitrometano, che agiscono come colli di bottiglia nel percorso di decomposizione. Questi intermedi ostacolano la rapida conversione del PETN in prodotti di detonazione, risultando in detonazioni incomplete o fallite. I nostri risultati forniscono approfondimenti sui meccanismi a livello molecolare che governano il fallimento del PETN e aprono la strada a strategie di progettazione razionale per migliorare l’affidabilità e la sicurezza degli esplosivi a base PETN.
Introduzione:
Gli esplosivi ad alto potenziale sono materiali energetici che subiscono rapide reazioni chimiche al momento dell'innesco, rilasciando una quantità significativa di energia sotto forma di calore, pressione e onde d'urto. Il pentaeritritolo tetranitrato (PETN) è un esplosivo ad alto potenziale ampiamente utilizzato grazie al suo elevato contenuto energetico, stabilità termica e insensibilità agli shock meccanici. Tuttavia, è noto che il PETN presenta occasionali guasti alla detonazione, che possono portare a rischi per la sicurezza e a una ridotta efficacia. Comprendere i meccanismi alla base di questi guasti è della massima importanza per migliorare l’affidabilità e la sicurezza degli esplosivi a base PETN.
Metodologia:
In questo studio, utilizziamo simulazioni atomistiche all'avanguardia basate sulla teoria del funzionale della densità (DFT) per studiare il comportamento di guasto del PETN a livello molecolare. Costruiamo modelli atomistici del PETN e dei suoi prodotti di decomposizione e simuliamo le loro reazioni in varie condizioni, tra cui temperatura, pressione e presenza di difetti. Le simulazioni forniscono informazioni dettagliate sui percorsi di reazione, sulle barriere energetiche e sugli intermedi di reazione coinvolti nella decomposizione del PETN.
Risultati e discussione:
Le nostre simulazioni rivelano che la mancata detonazione del PETN è dovuta principalmente alla formazione di intermedi di reazione metastabili, vale a dire gli intermedi nitroformio e nitrometano. Questi intermedi si formano durante le fasi iniziali della decomposizione del PETN e agiscono come colli di bottiglia nel percorso della reazione. La presenza di questi intermedi ostacola la rapida conversione del PETN in prodotti di detonazione, con conseguenti detonazioni incomplete o fallite.
Un'ulteriore analisi dei percorsi di reazione mostra che la formazione degli intermedi nitroformio e nitrometano è influenzata da diversi fattori, tra cui la temperatura, la pressione e la presenza di difetti nel cristallo PETN. Temperature e pressioni più elevate promuovono la formazione di questi intermedi, mentre i difetti fungono da siti di nucleazione per la loro formazione.
Conclusioni:
In conclusione, le nostre simulazioni atomistiche forniscono una comprensione dettagliata del comportamento di rottura del PETN ad alto esplosivo. La formazione di intermedi di reazione metastabili, vale a dire gli intermedi nitroformio e nitrometano, è identificata come la causa principale dei fallimenti del PETN. Questi risultati aprono la strada a strategie di progettazione razionale per ridurre al minimo o eliminare la formazione di questi intermedi, migliorando così l’affidabilità e la sicurezza degli esplosivi a base di PETN. Sono necessarie ulteriori indagini sperimentali per convalidare i risultati della simulazione ed esplorare le implicazioni pratiche di questi risultati.
