Usando filmes finos - não mais do que alguns pedaços de papel de caderno de espessura - de um produto químico explosivo comum, pesquisadores do Sandia National Laboratories estudaram como explosões em pequena escala começam e aumentam. Sandia é o único laboratório nos EUA que pode fazer tais filmes finos detonáveis.

Esses experimentos avançaram o conhecimento fundamental das detonações. Os dados também foram usados ​​para melhorar um programa de modelagem computacional desenvolvido pelo Sandia usado por universidades, empresas privadas e o Departamento de Defesa para simular como as detonações em grande escala se iniciam e se propagam.

"É legal, estamos realmente empurrando os limites da escala em que você pode detonar e o que você pode fazer com explosivos em termos de alteração de várias propriedades, "disse Eric Forrest, o pesquisador líder do projeto. "A teoria tradicional dos explosivos diz que você não deve ser capaz de detonar nessas escalas de comprimento, mas temos sido capazes de demonstrar isso, na verdade, você pode."

Forrest e o resto da equipe de pesquisa, compartilharam seu trabalho estudando as características desses filmes finos e as explosões que eles produzem em dois artigos publicados recentemente em Materiais e interfaces aplicados ACS e Propelentes, Explosivos, Pirotecnia .

Para seus estudos, a equipe usou PETN, também conhecido como tetranitrato de pentaeritritol, que é um pouco mais poderoso do que TNT, libra por libra. É comumente usado pela indústria de mineração e pelos militares.

Tipicamente, PETN é prensado em cilindros ou pelotas para uso. Em vez disso, a equipe de pesquisa usou um método chamado deposição física de vapor - também usado para fazer painéis solares de segunda geração e para revestir algumas joias - para "cultivar" filmes finos de PETN.

Sandia é o único laboratório nos EUA que possui as habilidades e equipamentos para usar essa técnica para fazer filmes explosivos finos que podem detonar, disse Rob Knepper, um especialista em explosivos Sandia envolvido no projeto.

Crescendo e estudando filmes explosivos finos

Começando no final de 2015, a equipe desenvolveu filmes finos de PETN em diferentes tipos de superfícies para determinar como isso afetaria as características dos filmes. Eles começaram com pedaços de silício do tamanho de uma unha mindinho e criaram filmes que tinham cerca de um décimo da espessura de um pedaço de papel, muito fino para explodir. Algumas das peças de silício eram muito limpas, alguns eram moderadamente limpos, e alguns saíram direto da caixa e, portanto, tinham uma camada muito fina de sujeira - 50, 000 vezes mais fina do que uma folha de papel.

Nas superfícies de silício muito limpas, os filmes PETN formaram o que parecia ser placas lisas por microscopia eletrônica de varredura, ainda tinha pequenas rachaduras entre as placas, um pouco como lama seca em um leito seco. Nas superfícies sujas de silício, a superfície dos filmes PETN parecia mais com colinas regulares.

Usando uma técnica baseada em raios-X, os pesquisadores determinaram que isso ocorre porque as moléculas de PETN se orientam de maneira diferente em superfícies sujas em comparação com superfícies muito limpas, e assim o filme cresce de forma diferente, Forrest disse.

"Este estudo em particular mostrou que podemos obter não apenas novidades, mas formas muito úteis de explosivos tradicionais que você nunca seria capaz de alcançar por meios tradicionais, "Forrest disse." Controlar minuciosamente as propriedades do filme nos permite investigar teorias para entender melhor a iniciação explosiva, o que nos permitirá prever melhor a confiabilidade, desempenho e segurança de sistemas explosivos por meio de modelos aprimorados. "

Knepper, que serviu como mentor de Forrest no projeto, concordou. "Desenvolvendo uma maneira de controlarmos de forma reproduzível a microestrutura dos filmes, apenas através da manipulação de superfície, é importante. Agora mesmo, nosso foco é usar esses filmes para aprofundar nossa compreensão das propriedades explosivas em pequenas escalas, como a iniciação e falha de explosivos. "

Testes em pequena escala para melhorar modelos de computador

Uma vez que as características e propriedades dos filmes finos foram melhor compreendidas, a equipe de pesquisa produziu filmes mais grossos - desta vez da espessura de duas folhas de papel de caderno - em pedaços de plástico muito limpos do tamanho de um dedo mínimo.

Então, Com um estrondo, eles detonaram os filmes explosivos dentro de um compartimento de segurança especialmente projetado, chamado de "boombox, "que foi projetada para evitar que uma detonação comece enquanto o compartimento estava aberto e conter quaisquer detritos da detonação. Usando uma câmera de ultra-alta velocidade que pode levar até um bilhão de quadros por segundo, eles assistiram a onda de choque subir enquanto a explosão corria através do filme fino.

Em colaboração com o Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México em Socorro, a equipe de pesquisa desenvolveu uma configuração especializada para ver a onda de choque, apesar da fumaça e dos detritos das explosões de teste usando imagens de Schlieren, uma técnica que pode detectar diferenças na densidade do ar semelhantes ao tremeluzir em uma rodovia quente.

Um estudante de mestrado em engenharia mecânica da New Mexico Tech, Julio Peguero, usou os dados desses experimentos para refinar o programa de modelagem de computador de explosivos de Sandia. O programa, chamado CTH, pode ser usado para aplicativos, tais como determinar a melhor forma de cargas explosivas durante a perfuração de petróleo, Knepper disse.

Peguero traçou a velocidade das ondas de choque acima dos filmes com e sem lacunas e adaptou o programa de computador para corresponder melhor aos resultados experimentais em filmes muito finos. A equipe projetou filmes finos com rachaduras no meio de vários tamanhos - variando de um terço da largura de um cabelo humano a 1 1/3 da largura de um fio de cabelo - para entender melhor a confiabilidade dos filmes finos e como as detonações podem falhar. A equipe descobriu que lacunas em torno do tamanho de um fio de cabelo podem impedir que a detonação continue.

Forrest estava particularmente interessado nos estudos de lacunas porque o primeiro estudo encontrou rachaduras finas entre as placas muito lisas de alguns dos filmes. Embora essas rachaduras fossem muito menores do que um décimo da largura de um fio de cabelo, os dados do estudo de lacunas forneceram percepções sobre o desempenho desses filmes.

Peguero, que agora é funcionário da Sandia, começou a trabalhar no projeto em janeiro de 2018, primeiro como aluno e depois como estagiário Sandia. "Além da empolgação de fazer pesquisas sobre explosivos, Ganhei uma apreciação pela incerteza de medição e riscos, "Isso é especialmente importante para o trabalho de segurança nacional, para garantir que nossa confiança em nossas medições seja bem compreendida", disse Peguero.

Knepper concordou sobre a importância do projeto. Ele disse, "Quando você tem dados experimentais em pequenas escalas, especialmente aqueles que são relevantes para a fronteira entre o que pode detonar e o que não pode, esses dados podem ser realmente úteis na calibração de modelos de computador. Também, ser capaz de ter uma boa caracterização da microestrutura explosiva para entrar nos modelos ajuda a ter parâmetros que podem prever com sucesso o desempenho em uma ampla gama de comportamentos explosivos. "