När högexplosiva ämnen utsätts för plötsliga stötvågor, t.ex. vid ett slag eller en detonation, bildas små områden med intensiv värme, s.k. hot spots, vid mikrostrukturella defekter som t.ex. porer. Dessa hot spots spelar en avgörande roll för att avgöra om sprängämnet kommer att initieras och detonera fullständigt. Att förstå hur hot spots bildas och beter sig över olika längdskalor är avgörande för att kunna utveckla prediktiva modeller för säkerhet och prestanda hos sprängämnen som används inom försvar, gruvdrift och andra tillämpningar.
Beräkningsmodellering har varit ett kraftfullt verktyg för att undersöka hot spots sedan 1960-talet, men simuleringar av hot spots med fullständig atomär upplösning har varit begränsade till mycket små porer – fram till nu.
Med hjälp av LLNL:s Sierra-superdator har ett team från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) gjort betydande framsteg när det gäller att förstå hur mikroskopiska hot spots bildas i okänsliga sprängämnen baserade på TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobensen). Deras forskning publiceras i The Journal of Physical Chemistry C.
Forskargruppen, som leds av Matt Kroonblawd, forskare inom beräkningsmaterial, utförde omfattande molekyldynamiksimuleringar (MD) i en aldrig tidigare skådad skala och nådde slutligen en domän på flera mikrometer med en por på 300 nanometer i diameter. Målet var att observera exakt hur heta fläckar bildas när porer i sprängämnet kollapsar efter en chock. Simuleringarna omfattade upp till 600 miljoner atomer, vilket gör dem till de största MD-simuleringar som någonsin utförts för ett explosivt material.
Hot-spot-bildning involverar starkt kopplad materialmekanik, transport, fasövergångar och kemi, vilket gör MD till ett väl lämpat verktyg för att modellera detta fenomen. Detta beror på att MD tillåter minimala fysiska approximationer – en typisk modelleringspraxis där modeller använder matematik för att approximera (eller anta) hur ett material kan reagera under olika förhållanden. Dessa antaganden kan ibland leda till fel när man extrapolerar förutsägelser till olika storlekar eller förhållanden.
För att komplettera sina MD-simuleringar använde teamet även kontinuumbaserade ALE3D-simuleringar för att utvidga sin analys till ännu större porer och överbrygga klyftan mellan atomistisk och mikrostrukturell skalmodellering. ALE3D är en finita elementkod med flera fysikaliska element som gör det möjligt för forskare att justera specifika materialegenskaper oberoende av varandra, vilket ger ett annat perspektiv än MD.
Genom att jämföra resultaten från de två metoderna upptäckte teamet en oväntad trend i hur hot spots beter sig i olika storleksskalor och en fysisk förklaring till dessa resultat.
Chockerande nog avslöjade MD-simuleringarna att när hot spots bildas i porer som är större än 20 nanometer uppvisar de skalinvarianta egenskaper – de som är oberoende av storlek. Det innebär att temperaturfördelningen och de strukturella egenskaperna hos hot-spots är konsekventa oavsett porstorlek – om porerna är större än 20 nanometer.
Med hjälp av ALE3D-simuleringar identifierade teamet att hot-spot-skalainvarians är kopplad till TATBs mekaniska styrka, som styr dess stress-töjningsrespons. Vid de ultrasnabba töjningshastigheter som är involverade i porernas kollaps påverkas inte TATB-kristallernas spänningstöjningsrespons av deformationshastigheten. ALE3D-simuleringarna bekräftade således att spännings-töjningsresponsen är tillräcklig för att förklara det beteende som observerats i MD-simuleringar.
Dessa resultat förenklar modelleringen av hot spots och ger förtroende och vägledning när det gäller att tillämpa insikter från MD-simuleringar på större längdskalor.
”Detta arbete positionerar molekyldynamiksimuleringar som en grund för att utveckla mer generella flerskaliga modeller av okänsliga högexplosiva ämnen och kan potentiellt vägleda utvecklingen av nya explosiva material med förbättrade säkerhets- och prestandaegenskaper”, säger Kroonblawd.
Mer information om projektet: Matthew P. Kroonblawd et al, Scale Invariance of Hot Spot Formation in TATB High Explosives, The Journal of Physical Chemistry C (2025). DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c00312
