Explosivos têm um problema inerente - eles devem ser perfeitamente seguros para manuseio e armazenamento, mas detonam de forma confiável sob demanda. Usando modelagem de computador e uma nova técnica de design de molécula, cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos substituíram um "braço" de uma molécula explosiva para ajudar a desvendar os primeiros passos no processo de detonação e compreender melhor sua sensibilidade - a facilidade com que inicia uma reação violenta.

"Tudo começou com, podemos pegar um TetraNitrato de PentaEritritol (PETN) explosivo de iniciação comum e substituir partes dele para alterar as propriedades de sensibilidade, "disse a química de explosivos Virginia Manner." Portanto, substituímos um braço do PETN por vários grupos não energéticos para ver como esses diferentes grupos poderiam alterar a sensibilidade da molécula em geral. Esta é a primeira vez que pegamos um sistema fundamental como este e mudamos diferentes partes dele para ver como ele poderia afetar a sensibilidade. "

A pesquisa foi publicada hoje em Ciência Química o "jornal principal" da Royal Society of Chemistry.

Os pesquisadores foram capazes de alterar a sensibilidade dos materiais do tipo PETN, tornando-os menos sensíveis e mais sensíveis. PETN foi inventado na Alemanha em 1894, é um dos materiais explosivos mais poderosos, e é normalmente usado apenas em pequenas quantidades devido à sua sensibilidade relativamente alta.

Outra abordagem inovadora para esta pesquisa é a estreita colaboração entre químicos e modeladores de computador em Los Alamos.

"Há cerca de três anos, percebi que alguma modelagem realmente ajudaria, "disse Manner." Então, pedi a Marc Cawkwell para trabalhar comigo e percebi que tínhamos ideias totalmente diferentes sobre o que tornava os explosivos sensíveis. Achei que fosse apenas química fundamental e ele pensou que são as propriedades mecânicas que controlam se um explosivo é insensível ou sensível. Ao longo deste trabalho, aos poucos nos convencemos de que estávamos ambos errados! "

"Ou melhor, parcialmente certo! "acrescentou Cawkwell.

Usando um código de computador de dinâmica molecular escrito em Los Alamos, chamado "LATTE", Cawkwell é capaz de modelar a construção e a quebra de ligações químicas em explosivos com muita precisão.

“A química vem da estrutura eletrônica de uma molécula, "disse Cawkwell." Com o LATTE podemos calcular com precisão a energia de uma molécula e a força em cada átomo a partir de sua estrutura eletrônica, o que nos permite propagar as posições de todos os átomos para a frente no tempo e deixar o sistema evoluir. Se a temperatura e a pressão forem altas o suficiente, veremos uma cascata de química que inicia uma explosão. "

A modelagem é então usada para interpretar experimentos na forma de um teste de impacto de queda de peso, para ver se um explosivo recém-sintetizado inicia facilmente (sensível) ou requer mais força (insensível) para explodir.

O que a modelagem oferece é uma compreensão muito mais profunda dos processos subjacentes em uma detonação. "Isso realmente nos permitiu entender esses experimentos de queda de peso bastante simples em detalhes atomísticos requintados, "disse Cawkwell." Por exemplo, a reação de 'abertura' no PETN que foi identificada por nosso colega Ed Kober nas simulações do LATTE foi algo que nenhum de nós poderia antecipar. "

"O objetivo final é ver se podemos ajustar os explosivos de forma preditiva, "disse Manner." No futuro as pessoas vão querer saber, como podemos tornar explosivos mais ou menos seguros ou sensíveis, particularmente para aplicações de estoque nuclear. Em geral, as pessoas estão apenas olhando para esses explosivos que existem há 100 anos ou mais e tentando entendê-los. Então pensamos se podemos fazer um sistema onde estamos ajustando a sensibilidade sistematicamente, onde realmente entendemos as propriedades moleculares que mais afetam a iniciação, então poderíamos orientar o desenvolvimento de novos explosivos no futuro. "