Cientistas do Exército provaram uma previsão de décadas de que a mistura de TNT e novas nanopartículas de alumínio pode melhorar significativamente o desempenho energético. Espera-se que esta descoberta explosiva estenda o alcance do poder de fogo do Exército dos EUA em batalha.

Pesquisadores do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e da Texas Tech University demonstraram aumento de até 30 por cento na velocidade de detonação do TNT explosivo adicionando novas nanopartículas de alumínio nas quais a cápsula de alumina nativa foi substituída por um sal oxidante chamado AIH, ou hexahidrato de iodato de alumínio.

A estrutura das nanopartículas de alumínio revestidas com AIH foi revelada pela primeira vez através da microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (TEM) realizada pelo Dr. Chi-Chin Wu da ARL, um pesquisador de materiais que lidera a pesquisa de plasma para o Laboratório Energetic Materials Science Branch na Divisão de Letalidade da Diretoria de Pesquisa de Armas e Materiais.

Wu disse que esta pesquisa revolucionária oferece o potencial para a exploração de alumínio e potencialmente outras nanopartículas metálicas em formulações explosivas para estender o alcance e o poder destrutivo dos sistemas de armas do Exército. um objetivo fundamental da prioridade de modernização "Incêndios de precisão de longo alcance" do Exército.

"Acreditamos que esses resultados mostram uma promessa tremenda para melhorar o desempenho de detonação de explosivos militares convencionais com nanopartículas de alumínio pela primeira vez, "disse a Dra. Jennifer Gottfried da ARL, um físico-químico que colaborou na pesquisa.

"É muito empolgante avançar a ciência a um ponto em que possamos aproveitar mais energia química de partículas de metal em escalas de tempo mais rápidas. Este é um momento empolgante para transformar a tecnologia de geração de energia, "disse a Dra. Michelle L. Pantoya, o J. W. Wright Regents Chair em Engenharia Mecânica e Professor da Texas Tech University.

Detalhes desse trabalho inovador são descritos no artigo publicado pela equipe em 28 de maio "Melhorando o desempenho explosivo de nanopartículas de alumínio com hexahidrato de iodato de alumínio (AIH)" por Jennifer L. Gottfried, Dylan K. Smith, Chi-Chin Wu, e Michelle L. Pantoya na revista de alto impacto Relatórios Científicos .

A equipe descobriu que o núcleo de alumínio cristalino foi efetivamente protegido contra oxidação indesejada pelo invólucro AIH, que aparece como nódulos salientes na superfície do alumínio. A reatividade aprimorada devido a esta característica morfológica única e nova estrutura núcleo-casca foi demonstrada por choque de ar induzido por laser de experimentos de materiais energéticos, um método de teste energético inovador em escala de laboratório desenvolvido por Gottfried. Esta técnica envolve impactar a amostra com uma alta energia, pulso de laser focalizado para quebrar violentamente as moléculas explosivas. A interação do laser com o material forma um plasma induzido por laser e produz uma onda de choque que se expande para o ar circundante. A energia liberada de uma amostra explosiva pode então ser determinada experimentalmente medindo a velocidade de choque induzida por laser com uma câmera de alta velocidade.

Foi previsto há décadas que as nanopartículas de alumínio têm o potencial de melhorar o desempenho energético de explosivos e propelentes devido ao seu alto conteúdo de energia e potencial para queima rápida. Isso ocorre porque eles têm áreas de superfície excepcionalmente grandes em comparação com seu volume total e um calor de reação muito grande. Contudo, a superfície das nanopartículas de alumínio é naturalmente oxidada ao ar para formar uma camada espessa de alumina, normalmente 20% em peso, que não só reduz o conteúdo de energia das nanopartículas, reduzindo a quantidade de alumínio ativo, também diminui a taxa de liberação de energia porque atua como uma barreira à reação do alumínio com o explosivo. Portanto, substituindo o invólucro de óxido, como alcançado com sucesso pela TTU, pode melhorar significativamente o desempenho explosivo.

Esses esforços conjuntos preliminares também levaram a uma colaboração formal de pesquisa sob um Prêmio de Pesquisa do Diretor ARL, a Iniciativa de Colaboração Externa fiscal de 2018 entre Wu e TTU.

Depois de publicar dois artigos em revistas científicas de alto impacto no ano passado, a equipe está posicionada para buscar pesquisas energéticas adicionais com nanopartículas de alumínio, trabalhando com a U.S. Army Research, Comando de Desenvolvimento e Engenharia do Arsenal Picatinny, Nova Jersey, e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.