Daniel Preston (à gauche), Virginia Manner (au centre) et Geoff Brown préparent un essai de chute de poids sur un dérivé explosif du PETN. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
Les explosifs ont un problème inhérent - ils doivent être parfaitement sûrs pour la manipulation et le stockage, mais exploser de manière fiable à la demande. En utilisant la modélisation informatique et une nouvelle technique de conception de molécules, des scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont remplacé un "bras" d'une molécule explosive pour aider à démêler les premières étapes du processus de détonation et mieux comprendre sa sensibilité - avec quelle facilité il déclenche une réaction violente.
"Ça a commencé avec, pouvons-nous prendre un explosif d'amorçage commun PentaErythritol TetraNitrate (PETN) et en remplacer des parties pour modifier les propriétés de sensibilité, " a déclaré Virginia Manner, chimiste en explosifs. " Nous avons donc remplacé un bras de PETN par divers groupes non énergétiques pour voir comment ces différents groupes pouvaient modifier la sensibilité de la molécule globale. C'est la première fois que nous prenons un système fondamental comme celui-ci et que nous en modifions différentes parties pour voir comment cela pourrait affecter la sensibilité."
La recherche a été publiée aujourd'hui dans Sciences chimiques la « revue phare » de la Royal Society of Chemistry.
Les chercheurs ont pu modifier la sensibilité des matériaux de type PETN, les rendant à la fois moins sensibles et plus sensibles. Le PETN a été inventé en Allemagne en 1894, est l'un des matériaux explosifs les plus puissants, et n'est généralement utilisé qu'en petites quantités en raison de sa sensibilité relativement élevée.
Une autre approche novatrice de cette recherche est l'étroite collaboration entre les chimistes et les modélisateurs informatiques à Los Alamos.
Une petite quantité d'explosif PETN "édité" subit une réaction énergétique lors d'un test de chute par impact. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
"Il y a environ trois ans, j'ai réalisé qu'un peu de modélisation aiderait vraiment, " a déclaré Manner. " J'ai donc demandé à Marc Cawkwell de travailler avec moi et j'ai réalisé que nous avions des idées totalement différentes sur ce qui rendait les explosifs sensibles. Je pensais que c'était juste de la chimie fondamentale et il pensait que ce sont les propriétés mécaniques qui contrôlent si un explosif est insensible ou sensible. Au cours de ce travail, nous nous sommes lentement convaincus que nous avions tous les deux tort !"
"Ou plutôt, en partie raison!" a ajouté Cawkwell.
À l'aide d'un code informatique de dynamique moléculaire écrit à Los Alamos appelé "LATTE", Cawkwell est capable de modéliser très précisément la formation et la rupture des liaisons chimiques dans les explosifs.
"La chimie vient de la structure électronique d'une molécule, " a déclaré Cawkwell. "Avec LATTE, nous pouvons calculer avec précision l'énergie d'une molécule et la force sur chaque atome à partir de sa structure électronique, ce qui nous permet de propager les positions de tous les atomes vers l'avant dans le temps et de laisser le système évoluer. Si la température et la pression sont suffisamment élevées, alors nous voyons une cascade de chimie qui déclenche une explosion."
Un modèle informatique de l'explosif PETN modifié. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
La modélisation est ensuite utilisée pour interpréter des expériences sous la forme d'un essai d'impact de chute de poids, pour voir si un explosif nouvellement synthétisé s'amorce facilement (sensible) ou nécessite plus de force (insensible) pour exploser.
Ce que la modélisation fournit, c'est une compréhension beaucoup plus approfondie des processus sous-jacents à une détonation. "Cela nous a vraiment permis de comprendre ces expériences de poids de goutte assez simples dans des détails atomistiques exquis, " dit Cawkwell. " Par exemple, la réaction de "décompression" dans PETN qui a été identifiée par notre collègue Ed Kober à partir des simulations LATTE était quelque chose qu'aucun de nous ne pouvait anticiper."
"Le but ultime est de voir si nous pouvons régler de manière prédictive les explosifs, " a déclaré Manner. " À l'avenir, les gens voudront savoir, comment pouvons-nous rendre les explosifs plus ou moins sûrs ou sensibles, en particulier pour les applications de stockage nucléaire. En général, les gens ne font que regarder ces explosifs qui existent depuis 100 ans ou plus et essaient de les comprendre. Nous avons donc pensé que si nous pouvions créer un système où nous réglons systématiquement la sensibilité, où nous comprenons vraiment les propriétés moléculaires qui affectent le plus l'initiation, alors nous pourrions guider le développement de nouveaux explosifs à l'avenir."
