Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en collaboration avec l'Université du Nevada Las Vegas (UNLV) ont découvert une transition de phase induite par la pression jusqu'alors inconnue pour TATB qui peut aider à prédire les performances de détonation et la sécurité de l'explosif. La recherche apparaît dans l'édition en ligne du 13 mai du Lettres de physique appliquée et il est mis en évidence comme une couverture et un article vedette.

1, 3, 5-Triamino-2, 4, 6- trinitrobenzène (TATB), la norme de l'industrie pour un explosif puissant insensible, se distingue comme le choix optimal lorsque la sécurité (insensibilité) est de la plus haute importance. Parmi les matériaux similaires avec une libération d'énergie explosive comparable, Le TATB est remarquablement difficile à déclencher par choc et a une faible sensibilité au frottement. Les causes de ce comportement inhabituel sont cachées dans l'évolution structurelle à haute pression du TATB. Simulations sur ordinateur de la détonation d'explosifs, fonctionnant sur les machines les plus puissantes du monde chez LLNL, dépendent de la connaissance de l'emplacement exact des atomes dans la structure cristalline d'un explosif. Une connaissance précise de l'arrangement atomique sous pression est la pierre angulaire pour prédire les performances de détonation et la sécurité d'un explosif.

L'équipe a réalisé des expériences en utilisant une cellule à enclume de diamant, qui a comprimé les monocristaux de TATB à une pression de plus de 25 GPa (250, 000 fois la pression atmosphérique). D'après toutes les études expérimentales et théoriques antérieures, on croyait que l'arrangement atomique dans la structure cristalline de TATB reste le même sous pression. L'équipe du projet a contesté le consensus sur le terrain visant à clarifier le comportement structurel à haute pression du TATB.

Le principal défi expérimental était la structure cristalline à symétrie extrêmement faible de TATB, ce qui rend les techniques conventionnelles de diffraction des rayons X pour les cellules à enclume de diamant impossibles. Au lieu, l'équipe expérimentale a utilisé la diffraction des rayons X sur monocristal sous pression, pour la première fois dans le cas d'un matériau organique à faible symétrie tel que le TATB.

« La question des transitions de phase dans le TATB compressé est débattue depuis des décennies. Nous étions sûrs que notre approche finirait par régler ce problème, mais il était beaucoup plus difficile de trouver la réponse que prévu, " a déclaré Oliver Tschauner, professeur au département de géosciences de l'UNLV.

Étonnamment, les résultats expérimentaux ont révélé une transition jusqu'alors inconnue vers une phase monoclinique à symétrie supérieure au-dessus de 4 GPa. Les résultats expérimentaux ont permis à l'équipe de déterminer les caractéristiques de base (paramètres du réseau et volume cellulaire) de la structure cristalline à haute pression et l'équation d'état (densité en fonction de la pression) au-dessus de la transition de phase. Cependant, l'équipe ne s'est pas arrêtée à ce stade

"Bien que les résultats expérimentaux nous aient permis d'appliquer des corrections importantes à l'équation d'état TATB, nous étions déterminés à aller plus loin et à comprendre la nature de la transition de phase et la structure exacte de la phase haute pression, " a expliqué Elissaios Stavrou, un membre du personnel de la Division des sciences des matériaux à LLNL.

Pour aider à démêler la phase haute pression, Les théoriciens de LLNL ont utilisé un algorithme de recherche structurelle évolutif (USPEX) qui aide à explorer les structures à haute pression de TATB. Les résultats théoriques ont non seulement confirmé les résultats expérimentaux, mais ont également clarifié la structure exacte de la phase haute pression.

"Presque tout sur un matériau peut être dérivé de sa structure cristalline, " a déclaré Brad Steele, chercheur postdoctoral à la Division des sciences des matériaux du LLNL et auteur principal de la recherche. "Dans cet article, nous montrons que nous pouvons prédire la structure cristalline même pour un matériau énergétique volumineux/compliqué tel que le TATB. Les méthodes utilisées ont de nombreuses applications potentielles dans le domaine de la science des matériaux."

Sur la base des résultats de l'USPEX, l'équipe a déterminé que la transition de phase implique un déplacement dans le plan induit par la pression des couches de type graphitique des molécules TATB dans la phase de pression ambiante.

Matthieu Kroonblawd, un membre du personnel de la Division des sciences des matériaux au LLNL, a expliqué plus loin :« TATB est notoirement difficile à modéliser, mais nous avons pu relier les anciennes et les nouvelles phases à l'aide d'outils informatiques généralisés que nous avons développés spécifiquement pour ces matériaux moléculaires complexes. Cette nouvelle phase résout les conjectures qui ont persisté depuis les années 1970."

L'équipe prévoit d'utiliser la même combinaison de techniques expérimentales et théoriques de pointe pour découvrir les transitions de phase possibles dans d'autres matériaux énergétiques. Cependant, la méthodologie utilisée dans cette étude ne se limite pas aux matériaux énergétiques et étend considérablement la capacité de l'équipe à révéler les structures cristallines et les stœchiométries dans des conditions thermodynamiques variables.