Des scientifiques du Centre des matériaux énergétiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et du Département de génie des matériaux de l’Université Purdue ont utilisé des simulations effectuées sur le superordinateur Quartz du LLNL pour découvrir un mécanisme général qui accélère la chimie dans la détonation des explosifs essentiels à la gestion du stock nucléaire du pays. Leurs recherches sont présentées dans le numéro du 15 juillet du Journal des lettres de chimie physique.
Les explosifs puissants insensibles à base de TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzène) offrent des propriétés de sécurité améliorées par rapport aux explosifs plus conventionnels, mais les explications physiques de ces caractéristiques de sécurité ne sont pas claires. On comprend que l’initiation explosive provient de points chauds qui se forment lorsqu’une onde de choc interagit avec des défauts microstructuraux tels que des pores. La compression ultrarapide des pores conduit à un pic de température localisé intense, qui accélère les réactions chimiques nécessaires pour déclencher la combustion et finalement la détonation. Les modèles d’ingénierie pour les explosifs puissants insensibles – utilisés pour évaluer la sécurité et les performances – sont basés sur le concept de point chaud mais ont des difficultés à décrire un large éventail de conditions, indiquant une physique manquante dans ces modèles.
À l’aide de simulations de supercalculateurs de dynamique moléculaire réactive à résolution atomique à grande échelle, l’équipe visait à calculer directement comment les points chauds se forment et se développent afin de mieux comprendre ce qui les fait réagir.
Les réactions chimiques s’accélèrent généralement lorsque la température augmente, mais il existe d’autres mécanismes potentiels qui pourraient influencer les taux de réaction.
« De récentes simulations de dynamique moléculaire ont montré que les régions de déformation plastique intense, telles que les bandes de cisaillement, peuvent supporter des réactions plus rapides », a expliqué l’auteur du LLNL, Matthew Kroonblawd. « Des taux accélérés similaires ont également été observés dans les premières simulations de dynamique moléculaire réactive des points chauds, mais les raisons des réactions accélérées dans les bandes de cisaillement et les points chauds n’étaient pas claires. »
Le principal avantage et le pouvoir prédictif des simulations de dynamique moléculaire proviennent de leur résolution complète de tous les mouvements des atomes lors d’un événement dynamique.
« Ces simulations génèrent d’énormes quantités de données, ce qui peut rendre difficile l’obtention d’informations physiques générales sur la manière dont les mouvements des atomes régissent la réponse matérielle collective », a déclaré Ale Strachan de l’Université Purdue.
Pour mieux s’attaquer à ce problème de mégadonnées, l’équipe s’est tournée vers des techniques modernes d’analyse de données. Grâce à une analyse de regroupement, l’équipe a découvert que deux descripteurs d’état moléculaire étaient liés aux taux de réaction chimique. L’un d’eux est la température, qui est bien comprise de la thermochimie traditionnelle. L’autre descripteur important est une métrique nouvellement proposée pour l’énergie associée aux déformations de la forme de la molécule, c’est-à-dire l’énergie de déformation intramoléculaire.
« Dans des conditions ambiantes, les molécules de TATB adoptent une forme plane », a déclaré Brenden Hamilton de l’Université Purdue, « et cette forme conduit à un emballage cristallin hautement résistant qui serait lié à l’insensibilité inhabituelle de TATB. »
L’analyse de regroupement de l’équipe a révélé que les molécules d’un point chaud qui sont chassées de leur forme plane d’équilibre réagissent plus rapidement ; les déformations mécaniques des molécules dans les régions de flux intense de matière plastique conduisent à une accélération mécanochimique des vitesses.
La chimie à commande mécanique (mécanochimie) est connue pour fonctionner dans de nombreux systèmes, allant de la manipulation de précision des liaisons aux « pinces » de microscopie à force atomique jusqu’au broyage à billes à l’échelle industrielle.
La mécanochimie qui opère dans les explosifs choqués n’est pas directement déclenchée, mais résulte d’une cascade compliquée de processus physiques qui démarrent lorsqu’un choc induit des déformations de la matière plastique.
« Nous distinguons ce type de processus – dans lequel la mécanochimie est une conséquence en aval d’une longue chaîne d’événements – comme une mécanochimie extemporanée », a déclaré Hamilton, et « cela contraste avec la mécanochimie préméditée plus largement étudiée dans laquelle le stimulus initial induit directement une action mécanochimique ». réaction. »
Le travail fournit des preuves claires que la mécanochimie des molécules déformées est responsable de l’accélération des réactions dans les points chauds et dans d’autres régions de déformation plastique, telles que les bandes de cisaillement.
« Ce travail fournit un lien quantitatif entre la chimie de l’allumage des points chauds et la récente découverte LLNL en 2020 de l’allumage par bande de cisaillement, qui fournit une base solide pour formuler des modèles explosifs plus généraux basés sur la physique », a déclaré Kroonblawd. « L’inclusion des effets mécanochimiques dans les modèles d’explosifs améliorera leur base physique et permettra des améliorations systématiques pour évaluer les performances et la sécurité avec précision et fiabilité. »
Brenden W. Hamilton et al, Mécanochimie extemporanée : Réactions chimiques ultrarapides induites par ondes de choc dues à l’énergie de déformation intramoléculaire, Le Journal des lettres de chimie physique (2022). DOI : 10.1021/acs.jpclett.2c01798