Forschungen zeigen, dass mechanisch angetriebene Chemie Reaktionen in Sprengstoffen beschleunigt

Wissenschaftler des Energetic Materials Center des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und des Materials Engineering Department der Purdue University haben Simulationen verwendet, die auf dem LLNL-Supercomputer Quartz durchgeführt wurden, um einen allgemeinen Mechanismus aufzudecken, der die Chemie bei der Detonation von Sprengstoffen beschleunigt, die für die Verwaltung des nuklearen Vorrats der Nation von entscheidender Bedeutung sind. Ihre Forschung wird in der Ausgabe vom 15. Juli vorgestellt Journal of Physical Chemistry Letters.

Unempfindliche Sprengstoffe auf Basis von TATB (1,3,5-Triamino-2,4,6-trinitrobenzol) bieten verbesserte Sicherheitseigenschaften gegenüber konventionelleren Sprengstoffen, aber physikalische Erklärungen für diese Sicherheitseigenschaften sind nicht klar. Es wird davon ausgegangen, dass eine explosive Initiierung aus Hotspots entsteht, die gebildet werden, wenn eine Stoßwelle mit mikrostrukturellen Defekten wie Poren interagiert. Die ultraschnelle Kompression der Poren führt zu einem intensiven lokalisierten Temperaturanstieg, der die chemischen Reaktionen beschleunigt, die zum Auslösen der Verbrennung und schließlich zur Detonation erforderlich sind. Technische Modelle für unempfindliche hochexplosive Stoffe – die zur Bewertung von Sicherheit und Leistung verwendet werden – basieren auf dem Hotspot-Konzept, haben jedoch Schwierigkeiten bei der Beschreibung einer Vielzahl von Bedingungen, was auf fehlende Physik in diesen Modellen hinweist.

Mithilfe groß angelegter, atomar aufgelöster reaktiver Molekulardynamik-Supercomputersimulationen wollte das Team direkt berechnen, wie sich Hotspots bilden und wachsen, um besser zu verstehen, was sie zu ihrer Reaktion veranlasst.

Chemische Reaktionen beschleunigen sich im Allgemeinen, wenn die Temperatur erhöht wird, aber es gibt andere potenzielle Mechanismen, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen könnten.

„Neuere Molekulardynamik-Simulationen haben gezeigt, dass Bereiche intensiver plastischer Verformung, wie etwa Scherbänder, schnellere Reaktionen unterstützen können“, erklärte LLNL-Autor Matthew Kroonblawd. „Ähnliche beschleunigte Geschwindigkeiten wurden auch in den ersten Simulationen der reaktiven Molekulardynamik von Hotspots beobachtet, aber die Gründe für die beschleunigten Reaktionen in Scherbändern und Hotspots waren unklar.“

Der Hauptvorteil und die Vorhersagekraft von Molekulardynamiksimulationen ergeben sich aus ihrer vollständigen Auflösung aller Atombewegungen während eines dynamischen Ereignisses.

„Diese Simulationen erzeugen enorme Datenmengen, was es schwierig machen kann, allgemeine physikalische Erkenntnisse darüber abzuleiten, wie Atombewegungen die kollektive Materialreaktion steuern“, sagte Ale Strachan von der Purdue University.

Um dieses Big-Data-Problem besser in den Griff zu bekommen, wandte sich das Team modernen Datenanalysetechniken zu. Durch Clustering-Analyse fand das Team heraus, dass zwei molekulare Zustandsdeskriptoren mit chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten verbunden waren. Eine davon ist die Temperatur, die aus der traditionellen Thermochemie gut bekannt ist. Der andere wichtige Deskriptor ist eine neu vorgeschlagene Metrik für die mit Verformungen der Molekülform verbundene Energie, d. h. die intramolekulare Spannungsenergie.

„Bei Umgebungsbedingungen nehmen TATB-Moleküle eine planare Form an“, sagte Brenden Hamilton von der Purdue University, „und diese Form führt zu einer hochelastischen Kristallpackung, von der angenommen wird, dass sie mit der ungewöhnlichen Unempfindlichkeit von TATB zusammenhängt.“

Die Clustering-Analyse des Teams ergab, dass Moleküle in einem Hotspot, die aus ihrer planaren Gleichgewichtsform getrieben werden, schneller reagieren; mechanische Deformationen von Molekülen in Bereichen mit intensivem plastischen Materialfluss führen zu einer mechanochemischen Beschleunigung der Geschwindigkeiten.

Es ist bekannt, dass mechanisch angetriebene Chemie (Mechanochemie) in vielen Systemen arbeitet, die von der Präzisionsmanipulation von Bindungen über „Pinzetten“ der Rasterkraftmikroskopie bis zum Kugelmahlen im industriellen Maßstab reichen.

Die Mechanochemie, die in geschockten Sprengstoffen wirkt, wird nicht direkt ausgelöst, sondern resultiert aus einer komplizierten Kaskade physikalischer Prozesse, die beginnen, wenn ein Schock plastische Materialverformungen hervorruft.

„Wir unterscheiden diese Art von Prozess – bei dem die Mechanochemie eine nachgelagerte Folge einer langen Kette von Ereignissen ist – als unvorhergesehene Mechanochemie“, sagte Hamilton, und „dies steht im Gegensatz zu der umfassender untersuchten vorsätzlichen Mechanochemie, bei der der anfängliche Stimulus direkt eine Mechanochemikalie induziert Reaktion.“

Die Arbeit liefert klare Beweise dafür, dass die Mechanochemie verformter Moleküle für die Beschleunigung von Reaktionen in Hotspots und in anderen Bereichen plastischer Verformung, wie z. B. Scherbändern, verantwortlich ist.

„Diese Arbeit stellt eine quantitative Verbindung zwischen der Chemie der Hotspot-Zündung und der jüngsten LLNL-Entdeckung der Scherbandzündung im Jahr 2020 her, die eine solide Grundlage für die Formulierung allgemeinerer physikbasierter Sprengstoffmodelle bietet“, sagte Kroonblawd. „Die Einbeziehung mechanochemischer Effekte in Sprengstoffmodelle wird ihre physikalische Basis verbessern und systematische Verbesserungen ermöglichen, um Leistung und Sicherheit genau und zuverlässig zu bewerten.“