Les scientifiques de l'armée ont prouvé une prédiction vieille de plusieurs décennies selon laquelle le mélange de TNT et de nouvelles nanoparticules d'aluminium peut améliorer considérablement les performances énergétiques. Cette découverte explosive devrait étendre la portée de la puissance de feu de l'armée américaine au combat.

Des chercheurs du U.S. Army Research Laboratory et de la Texas Tech University ont démontré jusqu'à 30 % d'amélioration de la vitesse de détonation de l'explosif TNT en ajoutant de nouvelles nanoparticules d'aluminium dans lesquelles la coque d'alumine native a été remplacée par un sel oxydant appelé AIH, ou de l'iodate d'aluminium hexahydraté.

La structure des nanoparticules d'aluminium recouvertes d'AIH a été révélée pour la toute première fois par microscopie électronique à transmission (MET) à haute résolution réalisée par le Dr Chi-Chin Wu de l'ARL, un chercheur en matériaux qui dirige la recherche sur le plasma pour la Direction de la science des matériaux énergétiques du laboratoire de la Division de la létalité de la Direction de la recherche sur les armes et les matériaux.

Wu a déclaré que cette recherche révolutionnaire offre le potentiel pour l'exploitation de l'aluminium et potentiellement d'autres nanoparticules métalliques dans des formulations explosives pour étendre la portée et la puissance destructrice des systèmes d'armes de l'armée, un objectif clé de la priorité de modernisation « Tirs de précision à longue portée » de l'Armée de terre.

"Nous pensons que ces résultats sont extrêmement prometteurs pour améliorer pour la première fois les performances de détonation des explosifs militaires conventionnels avec des nanoparticules d'aluminium, " a déclaré le Dr Jennifer Gottfried de l'ARL, un physico-chimiste qui a collaboré à la recherche.

"C'est très excitant de faire avancer la science à un point où nous pouvons exploiter plus d'énergie chimique à partir de particules métalliques à des échelles de temps plus rapides. C'est une période passionnante pour transformer la technologie de production d'énergie, " a déclaré le Dr Michelle L. Pantoya, titulaire de la chaire J. W. Wright Regents en génie mécanique et professeur à la Texas Tech University.

Les détails de ce travail révolutionnaire sont décrits dans l'article publié le 28 mai par l'équipe "Améliorer la performance explosive des nanoparticules d'aluminium avec de l'iodate d'aluminium hexahydrate (AIH)" par Jennifer L. Gottfried, Dylan K. Smith, Chi-Chin Wu, et Michelle L. Pantoya dans le journal à fort impact Rapports scientifiques .

L'équipe a découvert que le noyau en aluminium cristallin était efficacement protégé contre l'oxydation indésirable par la coque AIH, qui apparaît comme des nodules saillants sur la surface de l'aluminium. La réactivité accrue due à cette caractéristique morphologique unique et à la nouvelle structure noyau-coque a été démontrée par un choc aérien induit par laser à partir d'expériences sur les matériaux énergétiques, une méthode de test énergétique innovante à l'échelle du laboratoire développée par Gottfried. Cette technique consiste à impacter l'échantillon avec une haute énergie, impulsion laser focalisée pour briser violemment les molécules explosives. L'interaction du laser avec le matériau forme un plasma induit par laser et produit une onde de choc qui s'étend dans l'air environnant. L'énergie libérée par un échantillon explosif peut ensuite être déterminée expérimentalement en mesurant la vitesse du choc induit par laser avec une caméra à grande vitesse.

Il a été prédit il y a des décennies que les nanoparticules d'aluminium ont le potentiel d'améliorer les performances énergétiques des explosifs et des propulseurs en raison de leur contenu énergétique élevé et de leur potentiel de combustion rapide. C'est parce qu'ils ont des surfaces exceptionnellement grandes par rapport à leur volume total et une très grande chaleur de réaction. Cependant, la surface des nanoparticules d'aluminium est naturellement oxydée à l'air pour former une épaisse coque d'alumine, typiquement 20% en poids, qui non seulement abaisse le contenu énergétique des nanoparticules en diminuant la quantité d'aluminium actif, il ralentit également le taux de libération d'énergie car il agit comme une barrière à la réaction de l'aluminium avec l'explosif. Par conséquent, remplacement de la coquille d'oxyde, comme réalisé avec succès par TTU, peut considérablement améliorer les performances explosives.

Ces efforts conjoints préliminaires ont également conduit à une collaboration de recherche formelle dans le cadre d'une bourse de recherche du directeur de l'ARL, l'Initiative de collaboration externe pour l'exercice 2018 entre Wu et TTU.

Après avoir publié deux articles dans des revues scientifiques à fort impact au cours de la dernière année, l'équipe est prête à poursuivre des recherches énergétiques supplémentaires avec des nanoparticules d'aluminium en travaillant avec l'U.S. Army Research, Commandement du développement et de l'ingénierie à l'Arsenal de Picatinny, New Jersey, et le laboratoire de recherche de l'armée de l'air.