Cientistas do Centro de Materiais Energéticos do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade de Purdue usaram simulações realizadas no supercomputador Quartz do LLNL para descobrir um mecanismo geral que acelera a química na detonação de explosivos críticos para gerenciar o estoque nuclear do país. Sua pesquisa é apresentada na edição de 15 de julho do Journal of Physical Chemistry Letters .
Altos explosivos insensíveis baseados em TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzeno) oferecem propriedades de segurança aprimoradas em relação a explosivos mais convencionais, mas as explicações físicas para essas características de segurança não são claras. Entende-se que a iniciação explosiva surge de hotspots que são formados quando uma onda de choque interage com defeitos microestruturais, como poros. A compressão ultrarrápida dos poros leva a um intenso pico localizado de temperatura, que acelera as reações químicas necessárias para iniciar a queima e, finalmente, a detonação. Os modelos de engenharia para altos explosivos insensíveis - usados ​​para avaliar a segurança e o desempenho - são baseados no conceito de hotspot, mas têm dificuldade em descrever uma ampla gama de condições, indicando falta de física nesses modelos.

Usando simulações de supercomputadores de dinâmica molecular reativa resolvidas atomicamente em grande escala, a equipe teve como objetivo calcular diretamente como os hotspots se formam e crescem para entender melhor o que os faz reagir.

As reações químicas geralmente aceleram quando a temperatura é aumentada, mas existem outros mecanismos potenciais que podem influenciar as taxas de reação.

“Simulações recentes de dinâmica molecular mostraram que regiões de intensa deformação plástica, como bandas de cisalhamento, podem suportar reações mais rápidas”, explicou o autor do LLNL, Matthew Kroonblawd. “Taxas aceleradas semelhantes também foram observadas nas primeiras simulações de dinâmica molecular reativa de hotspots, mas as razões para as reações aceleradas em bandas de cisalhamento e hotspots não eram claras”.

A principal vantagem e poder preditivo das simulações de dinâmica molecular vem de sua resolução completa de todos os movimentos dos átomos durante um evento dinâmico.

"Essas simulações geram enormes quantidades de dados, o que pode dificultar a obtenção de informações físicas gerais sobre como os movimentos dos átomos governam a resposta material coletiva", disse Ale Strachan, da Purdue University.

Para lidar melhor com esse problema de big data, a equipe recorreu a técnicas modernas de análise de dados. Por meio da análise de agrupamento, a equipe descobriu que dois descritores de estado molecular estavam conectados às taxas de reação química. Uma delas é a temperatura, que é bem compreendida pela termoquímica tradicional. O outro descritor importante é uma nova métrica proposta para a energia associada às deformações da forma da molécula, ou seja, a energia de deformação intramolecular.

"Em condições ambientais, as moléculas TATB adotam uma forma planar", disse Brenden Hamilton, da Universidade de Purdue, "e essa forma leva a um empacotamento de cristal altamente resiliente que se acredita estar conectado à insensibilidade incomum do TATB".

A análise de agrupamento da equipe revelou que as moléculas em um hotspot que são impulsionadas de sua forma planar de equilíbrio reagem mais rapidamente; deformações mecânicas de moléculas em regiões de intenso fluxo de material plástico levam a uma aceleração mecanoquímica das taxas.

A química acionada mecanicamente (mecanoquímica) é conhecida por operar em muitos sistemas, variando de manipulação de precisão de ligações através de "pinças" de microscopia de força atômica até moagem de esferas em escala industrial.

A mecanoquímica que opera em explosivos chocados não é acionada diretamente, mas resulta de uma complicada cascata de processos físicos que se iniciam quando um choque induz deformações no material plástico.

"Nós distinguimos esse tipo de processo - no qual a mecanoquímica é uma consequência a jusante de uma longa cadeia de eventos - como mecanoquímica extemporânea", disse Hamilton, e "isso contrasta com a mecanoquímica premeditada mais amplamente estudada, na qual o estímulo inicial induz diretamente uma reação mecanoquímica. reação."

O trabalho fornece evidências claras de que a mecanoquímica de moléculas deformadas é responsável por acelerar reações em hotspots e em outras regiões de deformação plástica, como bandas de cisalhamento.

“Este trabalho fornece uma ligação quantitativa entre a química de ignição de hotspot e a recente descoberta LLNL de 2020 da ignição por banda de cisalhamento, que fornece uma base firme para a formulação de modelos explosivos mais gerais baseados em física”, disse Kroonblawd. "Incluir efeitos mecanoquímicos em modelos de explosivos melhorará sua base física e permitirá melhorias sistemáticas para avaliar o desempenho e a segurança com precisão e confiabilidade". + Explorar mais

Simulações explicam propriedades de detonação em TATB