Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben in Zusammenarbeit mit der University of Nevada Las Vegas (UNLV) einen bisher unbekannten druckinduzierten Phasenübergang für TATB entdeckt, der helfen kann, die Detonationsleistung und Sicherheit des Sprengstoffs vorherzusagen. Die Forschung erscheint in der Online-Ausgabe der Applied Physics Letters vom 13. Mai und wird als Cover und Featured Article hervorgehoben.

1,3,5-Triamino-2,4,6- Trinitrobenzol (TATB), der Industriestandard für einen unempfindlichen Hochsprengstoff, zeichnet sich als optimale Wahl aus, wenn es um Sicherheit (Unempfindlichkeit) geht. Unter ähnlichen Materialien mit vergleichbarer explosiver Energiefreisetzung ist TATB bemerkenswert schwer zu stoßen und hat eine geringe Reibungsempfindlichkeit. Die Ursachen für dieses ungewöhnliche Verhalten sind in der Hochdruck-Strukturentwicklung von TATB verborgen. Supercomputersimulationen von explodierenden Sprengstoffen, die auf den leistungsstärksten Maschinen der Welt bei LLNL laufen, hängen davon ab, die genauen Positionen der Atome in der Kristallstruktur eines Sprengstoffs zu kennen. Die genaue Kenntnis der atomaren Anordnung unter Druck ist der Grundstein für die Vorhersage der Detonationsleistung und Sicherheit eines Sprengstoffs.

Das Team führte Experimente mit einer Diamantambosszellen durch, die TATB-Einkristalle auf einen Druck von mehr als 25 GPa (250.000 mal Atmosphärendruck) komprimierten. Nach allen bisherigen experimentellen und theoretischen Studien wurde angenommen, dass die atomare Anordnung in der Kristallstruktur von TATB unter Druck gleich bleibt. Das Projektteam stellte den Konsens in diesem Bereich in Frage, der darauf abzielte, das Hochdruck-Strukturverhalten der TATB zu klären.

Die größte experimentelle Herausforderung war die extrem symmetrische Kristallstruktur von TATB, die herkömmliche Röntgenbeugungstechniken für Diamantambosszellen nicht möglich machte. Stattdessen verwendete das experimentelle Team die einkristalline Röntgenbeugung unter Druck, erstmals bei einem niedrigsymmetrischen organischen Material wie TATB.

“Das Thema Phasenübergänge in komprimierten TATB wird seit Jahrzehnten diskutiert. Wir waren sicher, dass unser Ansatz dieses Problem lösen würde – aber es war viel schwieriger, die Antwort zu finden, als wir erwartet hatten”, sagte Oliver Tschauner, Professor am Fachbereich Geowissenschaften der UNLV.

Überraschenderweise zeigten die experimentellen Ergebnisse einen bisher unbekannten Übergang zu einer höhersymmetrischen monoklinischen Phase oberhalb von 4 GPa. Die experimentellen Ergebnisse erlaubten es dem Team, die grundlegenden Eigenschaften (Gitterparameter und Zellvolumen) der Hochdruckkristallstruktur und die Zustandsgleichung (Dichte als Funktion des Drucks) über dem Phasenübergang zu bestimmen. Doch das Team blieb an dieser Stelle nicht stehen.

“Obwohl die experimentellen Ergebnisse es uns ermöglichten, wichtige Korrekturen an der TATB-Zustandsgleichung vorzunehmen, waren wir entschlossen, einen Schritt weiter zu gehen und die Art des Phasenübergangs und die genaue Struktur der Hochdruckphase zu verstehen”, erklärte Elissaios Stavrou, Mitarbeiter in der Material Science Division bei LLNL.

Um die Hochdruckphase zu entwirren, verwendeten die LLNL-Theoretiker einen evolutionären Struktursuchalgorithmus (USPEX), der die Hochdruckstrukturen von TATB untersucht. Die theoretischen Ergebnisse bestätigten nicht nur die experimentellen Ergebnisse, sondern verdeutlichten auch die genaue Struktur der Hochdruckphase.

“Fast alles an einem Material lässt sich aus seiner Kristallstruktur ableiten”, sagt Brad Steele, Postdoc-Wissenschaftler in der Material Science Division am LLNL und Hauptautor der Forschung. “In diesem Papier zeigen wir, dass wir die Kristallstruktur auch für ein großes/kompliziertes energetisches Material wie TATB vorhersagen können. Die verwendeten Methoden haben viele Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Materialwissenschaften.”

Basierend auf den USPEX-Ergebnissen stellte das Team fest, dass der Phasenübergang eine druckinduzierte Verschiebung der graphitähnlichen Schichten von TATB-Molekülen in der Umgebungsdruckphase beinhaltet.

Matthew Kroonblawd, ein Mitarbeiter in der Materialwissenschaftlichen Abteilung von LLNL, erklärte weiter: “TATB ist bekanntlich schwer zu modellieren, aber wir konnten die alte und neue Phase mit verallgemeinerten Berechnungswerkzeugen, die wir speziell für diese komplizierten molekularen Materialien entwickelt haben, in Beziehung setzen. Diese neue Phase löst Vermutungen auf, die seit den 1970er Jahren bestehen.”

Das Team plant, die gleiche Kombination aus modernsten experimentellen und theoretischen Techniken zu nutzen, um mögliche Phasenübergänge in anderen energetischen Materialien zu entdecken. Die in dieser Studie verwendete Methodik beschränkt sich jedoch nicht nur auf energetische Materialien und erweitert die Fähigkeit des Teams, die Kristallstrukturen und Stöchiometrien unter variablen thermodynamischen Bedingungen zu enthüllen.

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