Cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) em colaboração com a University of Nevada Las Vegas (UNLV) descobriram uma transição de fase induzida por pressão anteriormente desconhecida para TATB que pode ajudar a prever o desempenho de detonação e a segurança do explosivo. A pesquisa aparece na edição online de 13 de maio do Cartas de Física Aplicada e é destacado como capa e artigo de destaque.

1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzeno (TATB), o padrão da indústria para um alto explosivo insensível, destaca-se como a escolha ideal quando a segurança (insensibilidade) é de extrema importância. Entre materiais semelhantes com liberação de energia explosiva comparável, TATB é extremamente difícil de iniciar por choque e tem uma sensibilidade de baixa fricção. As causas desse comportamento incomum estão ocultas na evolução estrutural de alta pressão do TATB. Simulações de supercomputador de detonação de explosivos, rodando nas máquinas mais poderosas do mundo em LLNL, dependem de saber a localização exata dos átomos na estrutura cristalina de um explosivo. O conhecimento preciso do arranjo atômico sob pressão é a pedra angular para prever o desempenho de detonação e a segurança de um explosivo.

A equipe realizou experimentos utilizando uma célula de bigorna de diamante, que comprimiu cristais únicos TATB a uma pressão de mais de 25 GPa (250, 000 vezes a pressão atmosférica). De acordo com todos os estudos experimentais e teóricos anteriores, acreditava-se que o arranjo atômico na estrutura cristalina de TATB permanece o mesmo sob pressão. A equipe do projeto desafiou o consenso no campo com o objetivo de esclarecer o comportamento estrutural de alta pressão do TATB.

O principal desafio experimental foi a estrutura cristalina de simetria extremamente baixa de TATB, tornando as técnicas convencionais de difração de raios-X para células de bigorna de diamante inviáveis. Em vez de, a equipe experimental usou difração de raios-X de cristal único sob pressão, pela primeira vez no caso de um material orgânico de baixa simetria como o TATB.

"A questão das transições de fase em TATB compactado tem sido debatida por décadas. Estávamos certos de que nossa abordagem acabaria resolvendo essa questão - mas foi muito mais desafiador encontrar a resposta do que esperávamos, "disse Oliver Tschauner, professora do departamento de geociências da UNLV.

Surpreendentemente, os resultados experimentais revelaram uma transição até então desconhecida para uma fase monoclínica de maior simetria acima de 4 GPa. Os resultados experimentais permitiram à equipe determinar as características básicas (parâmetros de rede e volume da célula) da estrutura cristalina de alta pressão e a equação de estado (densidade em função da pressão) acima da transição de fase. Contudo, a equipe não parou neste ponto

"Embora os resultados experimentais nos tenham permitido aplicar correções importantes à equação de estado TATB, estávamos determinados a dar um passo adiante e entender a natureza da transição de fase e a estrutura exata da fase de alta pressão, "explicou Elissaios Stavrou, membro da equipe da Divisão de Ciência de Materiais do LLNL.

Para ajudar a desvendar a fase de alta pressão, Os teóricos do LLNL empregaram um algoritmo de busca estrutural evolucionária (USPEX) que ajuda a explorar as estruturas de alta pressão do TATB. Os resultados teóricos não apenas confirmaram os achados experimentais, mas também esclareceram a estrutura exata da fase de alta pressão.

"Quase tudo sobre um material pode ser derivado de sua estrutura de cristal, "disse Brad Steele, um cientista pós-doutorado na Divisão de Ciência de Materiais do LLNL e principal autor da pesquisa. "Neste artigo, mostramos que podemos prever a estrutura do cristal mesmo para um material energético grande / complicado como o TATB. Os métodos usados ​​têm muitas aplicações potenciais no campo da ciência dos materiais."

Com base nos resultados da USPEX, a equipe determinou que a transição de fase envolve uma mudança no plano induzida por pressão das camadas do tipo grafítico das moléculas TATB na fase de pressão ambiente.

Matthew Kroonblawd, um membro da equipe da Divisão de Ciência de Materiais do LLNL, explicou ainda:"TATB é notoriamente difícil de modelar, mas fomos capazes de relacionar as fases antigas e novas usando ferramentas computacionais generalizadas que desenvolvemos especificamente para esses materiais moleculares complicados. Esta nova fase resolve conjecturas que persistiram desde os anos 1970. "

A equipe planeja usar a mesma combinação de técnicas experimentais e teóricas de última geração para descobrir possíveis transições de fase em outros materiais energéticos. Contudo, a metodologia usada neste estudo não se limita a materiais energéticos e expande substancialmente a capacidade da equipe de revelar as estruturas cristalinas e estequiometrias sob condições termodinâmicas variáveis.