p A pesquisa conduzida no supercomputador Quartz do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) destaca as descobertas feitas por cientistas que revelam um aspecto ausente da física dos hotspots no TATB (1, 3, 5-trimamino-2, 4, 6-trinitrobenzeno) e outros explosivos. p Os pontos de acesso são regiões localizadas de temperatura elevada que se formam a partir do colapso da porosidade microestrutural induzido por choque e são conhecidas por governar as propriedades de iniciação e detonação de choque de explosivos. O principal conceito por trás dos hotspots é que as temperaturas locais elevadas aceleram a química local.

p A pesquisa é destaque na edição de 11 de março da Journal of Physical Chemistry Letters e foi uma colaboração entre LLNL e Purdue University. Os autores incluem Matthew Kroonblawd de LLNL e Brenden Hamilton, Chunyu Li e Alejandro Strachan de Purdue.

p O trabalho destaca um aspecto físico negligenciado dos estágios iniciais da formação e evolução do hotspot que fornece uma rota para melhorar sistematicamente os modelos multifísicos de iniciação e detonação de choque usados ​​para avaliar o desempenho e a segurança.

p "Um dos resultados mais intrigantes das primeiras simulações de dinâmica molecular reativa é que os hotspots formados em poros colapsados ​​reagem muito mais rapidamente do que os de tamanho equivalente, temperatura e pressão no material a granel, "Strachan disse." Embora reconhecido, a razão por trás dessas diferenças não foi compreendida. Nosso estudo resolve esta questão porque descobrimos que o material explosivo em um poro colapsado é fundamentalmente diferente do volume e que está em um estado de alta energia preparado para reações químicas. "

p Importância de compreender os pontos de acesso

p O TATB é um alto explosivo insensível, crítico para o estoque nuclear do país, e é desafiador para modelar em escala contínua. Os modelos de engenharia para segurança de explosivos e desempenho de detonação dependem de modelos físicos que se concentram na formação e no crescimento de pontos de acesso.

p Kroonblawd explicou que "os modelos multifísicos de nível contínuo usados ​​para avaliar a segurança e o desempenho são altamente empíricos, o que torna difícil criar modelos explosivos que são transferíveis para diferentes condições de aplicação. A falta de modelos transferíveis é especialmente verdadeira para altos explosivos insensíveis como o TATB. Ainda não é possível construir um modelo explosivo a partir dos primeiros princípios, indicando que aspectos importantes estão faltando em nossa compreensão da física e química de pontos críticos. "

p Esses modelos contam com tratamentos precisos de reatividade química e transporte térmico; O fato de os pontos quentes crescerem e se aglutinarem em uma onda de detonação é determinado por uma competição entre a taxa de geração de calor devido à química e a perda de calor devido à condução térmica.

p Identificar a causa por trás das diferenças nas taxas de reação do ponto de acesso fornece um caminho para a formulação de modelos explosivos mais gerais que irão melhorar sua precisão preditiva e transferibilidade. Embora esses modelos tenham normalmente focado na temperatura como a principal variável de controle da química, os resultados sugerem que reformular esses modelos em termos de energia potencial renderá um tratamento mais geral que pode distinguir as diferentes reatividades de diferentes estados materiais.

p Por meio de simulações de dinâmica molecular de todos os átomos, os pesquisadores descobriram que os hotspots não são apenas regiões de energia cinética localizada (ou temperatura), mas também são regiões de energia potencial localizada. A quantidade de energia potencial é muito maior do que a quantidade de energia cinética e é concentrada em modos moleculares relevantes para a decomposição química.

p A localização de energia potencial se manifesta devido a deformações em nível molecular em regiões deformadas plasticamente do material e isso levará a uma aceleração mecanoquímica das reações.

p "A principal conclusão é que não há uma relação um-para-um entre a energia cinética e potencial nesses sistemas, portanto, não se pode inferir as taxas de reação local apenas do campo de temperatura, "Disse Hamilton.

p Equipe realiza simulações em grande escala

p O trabalho, conduzido pela equipe da Divisão de Ciência de Materiais no LLNL Energetic Materials Center (EMC) e no Departamento de Engenharia de Materiais em Purdue, foi apoiado pelo Programa de Iniciativa Estratégica de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do LLNL com Lara Leininger, Diretor EMC, como investigador principal. O trabalho envolveu a execução de simulações em grande escala de todos os átomos na máquina de computação Livermore Quartz, e essas simulações foram realizadas usando o tempo de computação concedido pelo Grande Desafio Computacional do LLNL.

p Para estudar as propriedades de relaxamento de longa data da energia cinética e potencial em pontos quentes, a equipe desenvolveu um novo método chamado Shock Trapping Internal Boundaries.

p "Geralmente, simulações de choque são limitadas no tempo para quando uma onda de choque atinge o limite de simulação a jusante, que gera ondas de reflexão que alteram o estado, "Disse Hamilton." Em nosso método, podemos isolar o ponto de acesso, ou qualquer região de interesse, impedindo que os reflexos interajam com ele para permitir o estudo contínuo da evolução do tempo. "

p Isso permitiu que a equipe quantificasse as taxas de relaxamento da energia cinética e potencial para determinar que a energia potencial do hotspot persiste após a condução térmica dissipar a energia cinética.

p Simulações de dinâmica molecular prevêem que mais energia potencial está localizada em pontos quentes do que sua energia cinética (ou temperatura) poderia sugerir. O excesso de energia potencial está ligado a estados moleculares tensos persistentes que são preparados para reações químicas e explicam por que os pontos quentes reagem mais rápido do que o volume.