Usando pellicole sottili, non più spesse di qualche pezzo di carta per taccuini, di una comune sostanza chimica esplosiva, i ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno studiato come iniziano e crescono le esplosioni su piccola scala. Sandia è l'unico laboratorio negli Stati Uniti in grado di produrre film sottili così detonabili.

Questi esperimenti hanno avanzato la conoscenza fondamentale delle detonazioni. I dati sono stati utilizzati anche per migliorare un programma di modellazione al computer sviluppato da Sandia utilizzato dalle università, aziende private e il Dipartimento della Difesa per simulare come si avviano e si propagano le detonazioni su larga scala.

"È pulito, stiamo davvero spingendo i limiti sulla scala alla quale puoi far esplodere e cosa puoi fare con gli esplosivi in ​​termini di modifica delle varie proprietà, "ha detto Eric Forrest, il ricercatore capo del progetto. "La teoria degli esplosivi tradizionali dice che non dovresti essere in grado di far esplodere a queste scale di lunghezza, ma siamo stati in grado di dimostrarlo, infatti, Puoi."

Forrest e il resto del gruppo di ricerca, hanno condiviso il loro lavoro studiando le caratteristiche di questi film sottili e le esplosioni che producono in due articoli recentemente pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS e propellenti, esplosivi, pirotecnica .

Per i loro studi, il team ha utilizzato PETN, noto anche come pentaeritritolo tetranitrato, che è un po' più potente del TNT, Libra per libra. È comunemente usato dall'industria mineraria e dai militari.

Tipicamente, Il PETN viene pressato in cilindri o pellet per l'uso. Il team di ricerca ha invece utilizzato un metodo chiamato deposizione fisica da vapore, utilizzato anche per realizzare pannelli solari di seconda generazione e per rivestire alcuni gioielli, per "far crescere" film sottili di PETN.

Sandia è l'unico laboratorio negli Stati Uniti che ha le competenze e le attrezzature per utilizzare questa tecnica per creare sottili pellicole esplosive che possono esplodere, ha detto Rob Knepper, un esperto di esplosivi Sandia coinvolto nel progetto.

Coltivazione e studio di film esplosivi sottili

A partire dalla fine del 2015, il team ha coltivato film sottili di PETN su diversi tipi di superfici per determinare come ciò avrebbe influenzato le caratteristiche dei film. Hanno iniziato con pezzi di silicone delle dimensioni di un'unghia di mignolo e hanno sviluppato pellicole che erano circa un decimo dello spessore di un pezzo di carta, troppo sottile per esplodere. Alcuni dei pezzi di silicone erano molto puliti, alcuni erano moderatamente puliti, e alcuni erano appena usciti dalla scatola e quindi avevano uno strato molto sottile di sporco:50, 000 volte più sottile di un foglio di carta.

Sulle superfici in silicone molto pulite, le pellicole PETN formavano quelle che sembravano lastre lisce mediante microscopia elettronica a scansione, eppure aveva minuscole crepe tra i piatti, un po' come fango secco su un lago secco. Sulle superfici di silicone sporche, la superficie dei film in PETN sembrava più simile a colline uniformi.

Utilizzando una tecnica basata sui raggi X, i ricercatori hanno determinato che ciò è dovuto al fatto che le molecole di PETN si orientano in modo diverso su superfici sporche rispetto a superfici molto pulite, e così il film cresce diversamente, ha detto Forrest.

"Questo studio in particolare ha dimostrato che possiamo ottenere non solo novità, ma forme molto utili di esplosivi tradizionali che non saresti mai in grado di ottenere con mezzi tradizionali, " ha detto Forrest. "Controllare finemente le proprietà del film ci consente di indagare sulle teorie per comprendere meglio l'iniziazione esplosiva, che ci permetterà di prevedere meglio l'affidabilità, prestazioni e sicurezza dei sistemi esplosivi attraverso modelli migliorati."

Knepper, che è stato il mentore di Forrest nel progetto, concordato. "Sviluppare un modo per controllare in modo riproducibile la microstruttura dei film, solo attraverso la manipolazione della superficie, è importante. Proprio adesso, il nostro obiettivo è utilizzare questi film per approfondire la nostra comprensione delle proprietà esplosive su piccola scala, come l'avvio e il fallimento di esplosivi."

Test su piccola scala per migliorare i modelli al computer

Una volta comprese meglio le caratteristiche e le proprietà dei film sottili, il team di ricerca ha prodotto pellicole più spesse, questa volta dello spessore di due fogli di carta per quaderni, su pezzi di plastica molto puliti delle dimensioni di un mignolo.

Quindi, con un botto, hanno fatto esplodere le pellicole esplosive all'interno di un involucro di sicurezza appositamente progettato chiamato "boombox, " che è stato progettato per impedire l'avvio di una detonazione mentre il recinto era aperto e contenere eventuali detriti dalla detonazione. Utilizzando una telecamera ad altissima velocità che può richiedere fino a un miliardo di fotogrammi al secondo, guardarono l'onda d'urto sollevarsi mentre l'esplosione attraversava la pellicola sottile.

In collaborazione con il New Mexico Institute of Mining and Technology di Socorro, il team di ricerca ha sviluppato una configurazione specializzata per vedere l'onda d'urto nonostante il fumo e i detriti delle esplosioni di prova utilizzando l'imaging schlieren, una tecnica in grado di rilevare differenze di densità dell'aria simili al luccichio su un'autostrada calda.

Uno studente di master in ingegneria meccanica della New Mexico Tech, Giulio Peguero, ha usato i dati di questi esperimenti per perfezionare il programma di modellazione al computer di esplosivi di Sandia. Il programma, chiamato CTH, può essere utilizzato per applicazioni, come determinare come modellare al meglio le cariche esplosive durante la trivellazione per il petrolio, disse Knepper.

Peguero ha tracciato la velocità delle onde d'urto sopra i film con e senza spazi vuoti e ha adattato il programma del computer per abbinare meglio i loro risultati sperimentali su film molto sottili. Il team ha progettato film sottili con crepe nel mezzo di varie dimensioni, che vanno da un terzo della larghezza di un capello umano a 1 1/3 della larghezza di un capello, per comprendere meglio l'affidabilità dei film sottili e come le detonazioni possono fallire. Il team ha scoperto che spazi vuoti delle dimensioni di un capello potrebbero impedire il proseguimento di una detonazione.

Forrest era particolarmente interessato agli studi sul gap perché il primo studio ha trovato crepe sottili tra le piastre molto lisce di alcuni film. Sebbene queste crepe fossero molto più piccole anche di un decimo della larghezza di un capello, i dati dello studio sul divario hanno fornito informazioni su come si sarebbero comportati questi film.

Peguero, che ora è un dipendente di Sandia ha iniziato a lavorare al progetto nel gennaio 2018, prima come studente e poi come stagista alla Sandia. "Oltre all'entusiasmo di fare ricerche sugli esplosivi, Ho acquisito un apprezzamento per l'incertezza di misurazione e i rischi, " Ha detto Peguero. "Questo è particolarmente importante per il lavoro di sicurezza nazionale per garantire che la nostra fiducia nelle nostre misurazioni sia ben compresa".

Knepper concorda sull'importanza del progetto. Egli ha detto:"Quando si hanno dati sperimentali su piccola scala, specialmente quelli che sono rilevanti per il confine tra ciò che può esplodere e ciò che non può, quei dati possono essere davvero utili per calibrare i modelli di computer. Anche, essere in grado di avere una buona caratterizzazione della microstruttura esplosiva da inserire nei modelli aiuta ad avere parametri in grado di prevedere con successo le prestazioni su una gamma più ampia di comportamenti esplosivi".