Deux scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont découvert un nouveau mécanisme d'allumage des explosifs brisants qui explique les propriétés de détonation inhabituelles de 1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzène (TATB).

La recherche permettra d'améliorer systématiquement les modèles de mécanique du continuum utilisés pour évaluer les performances et la sécurité du matériau de manière précise et fiable.

Les explosifs hautement insensibles offrent des propriétés de sécurité considérablement améliorées par rapport aux explosifs plus conventionnels, mais les propriétés physiques responsables des caractéristiques de sécurité ne sont pas claires. Parmi les explosifs, TATB est presque unique dans ses compromis sécurité-énergie.

Les modèles d'ingénierie pour la sécurité d'amorçage des chocs et les performances de détonation des explosifs reposent sur des modèles physiques centrés sur la formation et la croissance de points chauds (régions locales de température élevée qui accélèrent les réactions chimiques) censés régir ces réponses. Cependant, les modèles de TATB basés sur le concept de point chaud n'ont jusqu'à présent pas été en mesure de décrire simultanément les régimes d'amorçage et de détonation. Cela indique que la physique manque dans la compréhension fondamentale des processus qui conduisent les explosifs brisants insensibles à exploser.

Pour découvrir cette physique manquante, l'équipe a utilisé des simulations de superordinateur impliquant plusieurs millions d'atomes pour jeter un coup d'œil à la réponse matérielle juste derrière une onde de choc de détonation. Ils ont découvert la formation dynamique d'un réseau complexe de bandes de cisaillement dans le matériau. Les bandes de cisaillement sont des régions locales de matériau hautement désordonné qui sont produites lorsque le matériau se rompt sous des contraintes extrêmes. Bien que la réponse n'ait pas été complètement inattendue, ce que cela impliquait n'était pas clair.

« Des bandes de cisaillement sont prédites et observées pour se former dans de nombreux explosifs, mais la signification chimique de leur formation n'est pas bien connue, " a déclaré Larry Fried, scientifique du LLNL, l'un des auteurs de l'article. Malgré cette incertitude, les scientifiques pensaient qu'ils avaient une piste sur la physique manquante.

Pour répondre aux questions concernant la réactivité chimique des bandes de cisaillement, il a fallu se tourner vers des approches de simulation de la dynamique moléculaire quantique (QMD) et du calcul haute performance. "Le principal défi avec QMD est qu'il ne peut être appliqué qu'aux petits systèmes, nous avons donc développé une technique de modélisation multi-échelle pour examiner la chimie de la bande de cisaillement et des régions cristallines dans des éléments de volume représentatifs, " a expliqué Matt Kroonblawd, auteur principal de l'étude.

Grâce au pontage d'échelle avec QMD, l'équipe a découvert que le matériau désordonné dans les bandes de cisaillement devient chimiquement activé. Les bandes sont formées en TATB fortement choqué et réagissent 200 fois plus vite que le cristal, ce qui donne une explication physique pour laquelle les modèles d'ingénierie nécessitaient des "fonctions de commutation" empiriques pour passer entre les situations d'initiation de choc et de détonation.

Les scientifiques décrivent ce phénomène nouvellement découvert comme « l'activation chimique par bandes de cisaillement, ", ce qui conduit à des taux de réaction améliorés sans le chauffage local généralement évoqué par le paradigme du point chaud. La capture de cette réponse dans les modèles d'explosifs améliorera leur base physique et permettra des améliorations systématiques pour évaluer les performances et la sécurité de manière plus précise et fiable.

La recherche apparaît dans l'édition en ligne du 22 mai de Lettres d'examen physique .