Gli scienziati dell'esercito hanno dimostrato una previsione vecchia di decenni secondo cui la miscelazione di TNT e nuove nanoparticelle di alluminio può migliorare significativamente le prestazioni energetiche. Questa scoperta esplosiva dovrebbe estendere la portata della potenza di fuoco dell'esercito americano in battaglia.

I ricercatori del Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e della Texas Tech University hanno dimostrato un aumento fino al 30% della velocità di detonazione del TNT esplosivo aggiungendo nuove nanoparticelle di alluminio in cui il guscio di allumina nativo è stato sostituito con un sale ossidante chiamato AIH, o iodato di alluminio esaidrato.

La struttura delle nanoparticelle di alluminio rivestite con AIH è stata rivelata per la prima volta attraverso la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (TEM) eseguita dal Dr. Chi-Chin Wu di ARL, un ricercatore di materiali che guida la ricerca sul plasma per il ramo di scienza dei materiali energetici del laboratorio nella divisione di letalità della direzione della ricerca sulle armi e sui materiali.

Wu ha affermato che questa ricerca rivoluzionaria offre il potenziale per lo sfruttamento dell'alluminio e potenzialmente di altre nanoparticelle metalliche in formulazioni esplosive per estendere la portata e il potere distruttivo dei sistemi d'arma dell'esercito, un obiettivo chiave della priorità di modernizzazione "Long Range Precision Fires" dell'esercito.

"Riteniamo che questi risultati mostrino un'enorme promessa per migliorare per la prima volta le prestazioni di detonazione degli esplosivi militari convenzionali con nanoparticelle di alluminio, " ha detto la dottoressa Jennifer Gottfried di ARL, un chimico fisico che ha collaborato alla ricerca.

"È molto eccitante far avanzare la scienza a un punto in cui possiamo sfruttare più energia chimica dalle particelle metalliche in tempi più rapidi. Questo è un momento entusiasmante per trasformare la tecnologia di generazione di energia, " ha detto la dottoressa Michelle L. Pantoya, la J. W. Wright Regents Chair in ingegneria meccanica e professore alla Texas Tech University.

I dettagli di questo lavoro rivoluzionario sono descritti nel documento pubblicato dal team il 28 maggio "Improving the Explosive Performance of Aluminium Nanoparticles with Aluminium Iodate Hexahydrate (AIH)" di Jennifer L. Gottfried, Dylan K. Smith, Chi Chin Wu, e Michelle L. Pantoya nel diario di grande impatto Rapporti scientifici .

Il team ha scoperto che il nucleo in alluminio cristallino era efficacemente protetto dall'ossidazione indesiderata dal guscio AIH, che appare come noduli sporgenti sulla superficie di alluminio. La maggiore reattività dovuta a questa caratteristica morfologica unica e alla nuova struttura del nucleo-guscio è stata dimostrata dallo shock d'aria indotto dal laser da esperimenti sui materiali energetici, un innovativo metodo di test energetico su scala di laboratorio sviluppato da Gottfried. Questa tecnica prevede l'impatto sul campione con un'energia ad alta impulso laser focalizzato per rompere violentemente le molecole esplosive. L'interazione del laser con il materiale forma un plasma indotto dal laser e produce un'onda d'urto che si espande nell'aria circostante. L'energia rilasciata da un campione esplosivo può quindi essere determinata sperimentalmente misurando la velocità d'urto indotta dal laser con una telecamera ad alta velocità.

È stato previsto decenni fa che le nanoparticelle di alluminio hanno il potenziale per migliorare le prestazioni energetiche di esplosivi e propellenti a causa del loro alto contenuto energetico e del potenziale per una rapida combustione. Questo perché hanno aree superficiali eccezionalmente grandi rispetto al loro volume totale e un calore di reazione molto grande. Però, la superficie delle nanoparticelle di alluminio è naturalmente ossidata all'aria per formare uno spesso guscio di allumina, tipicamente 20% in peso, che non solo abbassa il contenuto energetico delle nanoparticelle riducendo la quantità di alluminio attivo, rallenta anche il tasso di rilascio di energia perché agisce come una barriera alla reazione dell'alluminio con l'esplosivo. Perciò, sostituzione del guscio di ossido, come raggiunto con successo da TTU, può migliorare significativamente le prestazioni esplosive.

Questi sforzi congiunti preliminari hanno anche portato a una collaborazione di ricerca formale nell'ambito di un ARL Director's Research Award, l'iniziativa di collaborazione esterna per l'anno fiscale 2018 tra Wu e TTU.

Dopo aver pubblicato due articoli su riviste scientifiche di grande impatto lo scorso anno, il team è pronto a proseguire la ricerca energetica aggiuntiva con le nanoparticelle di alluminio lavorando con la ricerca dell'esercito degli Stati Uniti, Comando Sviluppo e Ingegneria all'Arsenale Picatinny, New Jersey, e il laboratorio di ricerca dell'aeronautica.