Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in collaborazione con l'Università del Nevada Las Vegas (UNLV) hanno scoperto una transizione di fase indotta dalla pressione precedentemente sconosciuta per TATB che può aiutare a prevedere le prestazioni di detonazione e la sicurezza dell'esplosivo. La ricerca appare nell'edizione online del 13 maggio del Lettere di fisica applicata ed è evidenziato come copertina e articolo in primo piano.

1, 3, 5-triammino-2, 4, 6-trinitrobenzene (TATB), lo standard industriale per un alto esplosivo insensibile, si distingue come la scelta ottimale quando la sicurezza (insensibilità) è della massima importanza. Tra materiali simili con rilascio di energia esplosiva comparabile, TATB è notevolmente difficile da avviare e ha una bassa sensibilità all'attrito. Le cause di questo comportamento insolito sono nascoste nell'evoluzione strutturale ad alta pressione della TATB. Simulazioni al supercomputer della detonazione di esplosivi, in esecuzione sulle macchine più potenti del mondo a LLNL, dipendono dalla conoscenza delle posizioni esatte degli atomi nella struttura cristallina di un esplosivo. La conoscenza accurata della disposizione atomica sotto pressione è la pietra angolare per prevedere le prestazioni di detonazione e la sicurezza di un esplosivo.

Il team ha eseguito esperimenti utilizzando una cella a incudine di diamante, che ha compresso i monocristalli TATB ad una pressione superiore a 25 GPa (250, 000 volte la pressione atmosferica). Secondo tutti i precedenti studi sperimentali e teorici, si credeva che la disposizione atomica nella struttura cristallina di TATB rimanesse la stessa sotto pressione. Il team del progetto ha sfidato il consenso nel campo con l'obiettivo di chiarire il comportamento strutturale ad alta pressione di TATB.

La principale sfida sperimentale era la struttura cristallina a simmetria estremamente bassa di TATB, rendendo le tecniche di diffrazione dei raggi X convenzionali per le celle a incudine di diamante non praticabili. Anziché, il team sperimentale ha utilizzato la diffrazione di raggi X a cristallo singolo sotto pressione, per la prima volta nel caso di un materiale organico a bassa simmetria come il TATB.

"La questione delle transizioni di fase nel TATB compresso è stata discussa per decenni. Eravamo sicuri che il nostro approccio alla fine avrebbe risolto questo problema, ma è stato molto più difficile trovare la risposta di quanto ci aspettassimo, " ha detto Oliver Tschauner, un professore nel dipartimento di geoscienze dell'UNLV.

Sorprendentemente, i risultati sperimentali hanno rivelato una transizione precedentemente sconosciuta a una fase monoclina a simmetria più elevata superiore a 4 GPa. I risultati sperimentali hanno permesso al team di determinare le caratteristiche di base (parametri reticolari e volume cellulare) della struttura cristallina ad alta pressione e l'equazione di stato (densità in funzione della pressione) al di sopra della transizione di fase. Però, la squadra non si è fermata a questo punto

"Sebbene i risultati sperimentali ci abbiano permesso di applicare importanti correzioni all'equazione di stato TATB, eravamo determinati a fare un passo avanti e comprendere la natura della transizione di fase e l'esatta struttura della fase ad alta pressione, " ha spiegato Elissaios Stavrou, un membro dello staff della Divisione Scienza dei materiali presso LLNL.

Per aiutare a svelare la fase di alta pressione, I teorici di LLNL hanno impiegato un algoritmo di ricerca strutturale evolutiva (USPEX) che aiuta a esplorare le strutture ad alta pressione di TATB. I risultati teorici non solo hanno confermato i risultati sperimentali, ma hanno anche chiarito l'esatta struttura della fase ad alta pressione.

"Quasi tutto di un materiale può essere derivato dalla sua struttura cristallina, " ha detto Brad Steele, uno scienziato post-dottorato nella Divisione Scienza dei Materiali presso LLNL e autore principale della ricerca. "In questo articolo mostriamo che possiamo prevedere la struttura cristallina anche per un materiale energetico grande/complicato come il TATB. I metodi utilizzati hanno molte potenziali applicazioni nel campo della scienza dei materiali".

Sulla base dei risultati USPEX, il team ha determinato che la transizione di fase comporta uno spostamento nel piano indotto dalla pressione degli strati simili alla grafite delle molecole TATB nella fase a pressione ambiente.

Matthew Kroonblawd, un membro dello staff della Divisione Scienza dei materiali presso LLNL, ulteriormente spiegato:"TATB è notoriamente difficile da modellare, ma siamo stati in grado di mettere in relazione le fasi vecchie e nuove utilizzando strumenti computazionali generalizzati che abbiamo sviluppato specificamente per questi complicati materiali molecolari. Questa nuova fase risolve le congetture che persistono dagli anni '70".

Il team prevede di utilizzare la stessa combinazione di tecniche sperimentali e teoriche all'avanguardia per scoprire possibili transizioni di fase in altri materiali energetici. Però, la metodologia utilizzata in questo studio non si limita ai materiali energetici e amplia sostanzialmente la capacità del team di rivelare le strutture cristalline e le stechiometrie in condizioni termodinamiche variabili.