Безопасные и эффективные взрывчатые вещества имеют решающее значение для выполнения миссии Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (ЛЛНЛ) по управлению ядерным арсеналом. Изучить состав такого материала до детонации или исследовать его остатки после детонации относительно просто. Однако химический процесс, который определяет большую часть процесса детонации, ускользает от экспериментального изучения, поскольку протекает за несколько наносекунд или меньше.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и ЛЛНЛ инициировали медленное разложение взрывчатого вещества и измерили воздействие на молекулы внутри него. Работа демонстрирует концепцию процесса, который может быть расширен для изучения сверхбыстрой динамической химии во время детонаций, и проливает свет на промежуточные структуры, которые никогда ранее не были экспериментально обнаружены.
В Стэнфордском источнике синхротронного излучения команда использовала рентгеновские лучи, чтобы инициировать химические реакции, участвующие в разложении, и измерить результаты.
«Рамановское рассеяние рентгеновских лучей — это уникальная возможность, которая может обеспечить доступ к основной химии этих материалов», — сказал учёный SLAC и ведущий автор Оскар Паредес Меллоне.
Этот метод возбуждает электроны в ядрах атомов, бомбардируя их фотонами рентгеновского излучения, которые рассеиваются и передают часть своей энергии этим ядроным электронам. Детектор измеряет новую энергию рентгеновских лучей, и разница показывает электронную структуру и состав материала.
«Мы не будем утверждать, что разложение, вызванное рентгеновскими лучами, идентично детонации, но мы считаем, что оно может быть довольно похожим», — сказал учёный ЛЛНЛ и автор Тревор Уилли. «Вы просто возбуждаете и разрушаете молекулы рентгеновскими лучами вместо того, чтобы использовать ударную волну детонации».
Но только при криогенных температурах этот процесс «замораживается» достаточно долго, чтобы можно было зафиксировать и измерить промежуточные химические соединения.
«Проводя эти гораздо более медленные, статические, криогенные эксперименты, мы показываем, что потенциально можно использовать рентгеновскую рамановскую спектроскопию в эксперименте по детонации», — сказал Уилли.
В дополнение к своим экспериментам Паредес Меллоне искал в литературе молекулярные фрагменты, теоретически предложенные для присутствия на начальных стадиях процесса детонации. Для наиболее вероятных кандидатов он работал с коллегами из Национального института стандартов и технологий, чтобы рассчитать их молекулярные рентгеновские рамановские сигнатуры, и сравнил модели со спектральными данными. Результаты показали несколько наиболее вероятных кандидатов и ключевые механизмы разложения: расщепление определённых связей и открытие внутренней, похожей на клетку структуры молекулы взрывчатого вещества.
Хотя это исследование разложения обеспечивает основу для экспериментов со сходной структурой детонации, необходимы определённые усовершенствования.
«Чтобы провести этот эксперимент, вам понадобится невероятно интенсивный и импульсный источник рентгеновского излучения — рентгеновский лазер на свободных электронах, такой как Linac Coherent Lightsource в SLAC, — сказал Уилли. — Нам всё ещё нужно проделать значительную работу, чтобы оптимизировать детекторы и повысить их эффективность».
С этой целью сообщество учёных из SLAC, ЛЛНЛ и других организаций изучает способы более регулярного включения рентгеновской рамановской спектроскопии в Linac Coherent Lightsource.
Предоставлено Национальной лабораторией Лоуренса Ливермора.