Polymer-Mediated Hotspot Evolution in Shock-Induced Pore Collapse in 1,3,5,7-Tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane (HMX)-based Explosives
यह अध्ययन यह प्रकट करने के लिए रिएक्टिव मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स सिमुलेशन का उपयोग करता है कि जबकि पॉलीमर-बॉन्डेड HMX में छिद्रों का शॉक-प्रेरित पतन शुरू में हॉटस्पॉट्स उत्पन्न करता है, पॉलीस्टाइरीन बाइंडर का बाद का रासायनिक रूपांतरण एक क्रॉस-लिंक्ड, डायमंड-लाइक संरचना में एक हीट सिंक के रूप में कार्य करता है जो डिफ्लेग्रेशन को दबा देता है और हॉटस्पॉट विकास को रोकता है, जिससे शॉक-टू-डेटोनेशन ट्रांजिशन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित किया जाता है।
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उच्च विस्फोटक ऐसे पदार्थ होते हैं जिन्हें एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में अत्यधिक ऊर्जा मुक्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, लेकिन उन्हें नियंत्रित करना बेहद कठिन होता है। उन्हें संभालने के लिए पर्याप्त सुरक्षित और काम करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली बनाने के लिए, इंजीनियर अक्सर विस्फोटक क्रिस्टल को एक नरम, चिपचिपे पॉलीमर बाइंडर के साथ मिलाते हैं, जिससे एक मिश्रित सामग्री (कंपोजिट मटेरियल) तैयार होती है। जब ऐसी सामग्री पर कोई शॉकवेव (आघात तरंग) टकराती है, तो क्रिस्टल और बाइंडर के बीच फंसी खाली जगह की छोटी पॉकेट या छिद्र (पोर्स) हिंसक रूप से ढह जाते हैं। यह पतन ऊर्जा को 'हॉटस्पॉट्स' नामक नन्हे, अत्यधिक गर्म बिंदुओं में केंद्रित कर देता है। यदि ये बिंदु पर्याप्त गर्म और बड़े हो जाते हैं, तो वे एक ऐसी श्रृंखला अभिक्रिया (चेन रिएक्शन) शुरू कर सकते हैं जो एक धीमी जलन को पूर्ण विस्फोट में बदल देती है। हॉटस्पॉट्स कैसे बनते हैं और कैसे बढ़ते हैं, इसे सटीक रूप से समझना सुरक्षित और अधिक विश्वसनीय विस्फोटक डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन यह प्रक्रिया इतनी तेज़ और इतने सूक्ष्म स्तर पर होती है कि मानक कैमरों या सेंसरों के साथ इसे देखना लगभग असंभव है।
इस छिपी हुई दुनिया को देखने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स' नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन तकनीक का उपयोग किया। एक भौतिक बम बनाने के बजाय, उन्होंने स्वयं परमाणुओं का एक डिजिटल मॉडल बनाया। उन्होंने एक परिदृश्य बनाया जहाँ एक शॉकवेव HMX नामक एक सामान्य उच्च विस्फोटक के ब्लॉक के माध्यम से यात्रा करती है, जो PBX 9501 नामक व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले सैन्य विस्फोटक का मुख्य घटक है। अपने मॉडल में, उन्होंने दो HMX ब्लॉकों के बीच के अंतराल के किनारे पर पॉलीस्टाइनिन की एक पतली परत रखी, जो वही प्लास्टिक है जिसका उपयोग डिस्पोजेबल कपों में किया जाता है। फिर उन्होंने इस सेटअप पर 2 किलोमीटर प्रति सेकंड की गति से एक शॉक हिट होने का अनुकरण किया, जो अंतराल को कुचलने और सामग्रियों को आपस में टकराने के लिए मजबूर करने वाली एक पर्याप्त वेग वाली गति है। लाखों परमाणुओं की गति और रासायनिक परिवर्तनों को ट्रैक करके, टीम देख सकी कि पॉलीमर बाइंडर ने अत्यधिक दबाव और गर्मी के प्रति कैसे प्रतिक्रिया की, और उन प्रतिक्रियाओं ने विस्फोटक के व्यवहार को कैसे प्रभावित किया।
सिमुलेशन ने इस बात का खुलासा किया कि जब शॉकवेव टकराती है तो क्या होता है, इसकी एक जटिल, दो-भागों वाली कहानी सामने आई। सबसे पहले, नरम पॉलीस्टाइनिन परत एक स्प्रिंग की तरह कार्य करती है। जैसे ही शॉकवेव अंतराल से टकराती है, पॉलीमर खाली स्थान में तेजी से फैलता है, ठीक वैसे ही जैसे एक रबर बैंड को खींचकर तान दिया जाता है। जब फैलता हुआ पॉलीमर दूसरी ओर के HMX क्रिस्टल से टकराता है, तो यह जबरदस्त बल के साथ वापस दब जाता है। यह संपीड़न (कंप्रेशन) काफी कार्य करता है, जिससे तीव्र ऊष्मा उत्पन्न होती है और उस इंटरफेस पर एक हॉटस्पॉट बनता है जहाँ प्लास्टिक विस्फोटक से मिलता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि अंतराल का आकार बहुत मायने रखता था: बड़े अंतराल पॉलीमर को अधिक फैलने की अनुमति देते थे, जिससे एक अधिक जोरदार प्रभाव और अधिक ऊर्जावान हॉटस्पॉट बनता था। वास्तव में, अंतराल जितना बड़ा होता, टकराव बिंदु पर ऊर्जा का संकेंद्रण उतना ही अधिक होता, जो उस तरफ के विस्फोटक सामग्री में रासायनिक अभिक्रिया शुरू करने के लिए पर्याप्त था जहाँ से शॉक आया था।
हालाँकि, जैसे-जैसे अभिक्रिया आगे बढ़ती है, कहानी एक आश्चर्यजनक मोड़ लेती है। जबकि प्रारंभिक प्रभाव ने आग लगाने में मदद की, पॉलीमर का रासायनिक भाग्य अंततः एक ब्रेक (ब्रेक लगाने वाले) के रूप में कार्य करता है। जैसे ही पॉलीस्टाइनिन को कुचला और गर्म किया गया, इसकी लंबी आणविक श्रृंखलाएं टूटने लगीं। केवल जलकर खत्म होने के बजाय, प्लास्टिक के टूटे हुए टुकड़े आपस में फिर से जुड़ने लगे, जिससे कार्बन बॉन्ड्स का एक घना, कठोर नेटवर्क बन गया। शोधकर्ताओं ने इस परिवर्तन को अत्यधिक दबाव में ग्रेफाइट के हीरे में बदलने के समान बताया। इस रासायनिक पुनर्गठन ने काफी मात्रा में ऊष्मा को अवशोषित कर लिया, जो थर्मल ऊर्जा को सोखने वाले स्पंज की तरह काम करता है। नतीजंत, जहाँ पॉलीमर ने अपस्ट्रीम (ऊपरी दिशा) की ओर विस्फोटक को प्रज्वलित करने में मदद की, वहीं इसने डाउनस्ट्रीम (निचली दिशा) की ओर के क्षेत्र को प्रभावी रूप से ठंडा कर दिया, जिससे आग को अंतराल के पार अगले क्रिस्टल तक फैलने से रोका जा सका।
बाइंडर की यह दोहरी भूमिका—पहले हॉटस्पॉट बनाने में मदद करना, फिर अभिक्रिया के प्रसार को रोकना—इस सरल विचार को चुनौती देती है कि बाइंडर केवल निष्क्रिय भराव (फिलर) होते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि पॉलीमर का रासायनिक व्यवहार उसके भौतिक गुणों जितना ही महत्वपूर्ण है। भले ही बाइंडर ने हॉटस्पॉट के प्रारंभिक निर्माण को नहीं रोका, लेकिन इसकी विशिष्ट रासायनिक परिवर्तनों से गुजरने की प्रवृत्ति ने आग के विकास को धीमा कर दिया, जिससे अन्य हॉटस्पॉट्स के साथ मिलकर पूर्ण विस्फोट करने की प्रक्रिया रुक गई। निष्कर्ष बताते हैं कि विस्फोटक सामग्री के भीतर के सूक्ष्म रिक्त स्थान (voids) का आकार एक महत्वपूर्ण कारक है; बड़े रिक्त स्थान अधिक तीव्र प्रारंभिक ऊष्मा उत्पन्न करते हैं लेकिन साथ ही बाइंडर में अधिक व्यापक रासायनिक परिवर्तनों को भी सक्रिय करते हैं जो विस्फोट को बाधित कर सकते हैं। इन परमाणु-स्तर की अंतःक्रियाओं का मानचित्र बनाकर, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान की कि कैसे एक विस्फोटक कंपोजिट की सूक्ष्म संरचना उसके स्थूल (मैक्रोस्कोपिक) व्यवहार को निर्धारित करती है, जो इन सामग्रियों की शक्ति को नियंत्रित करने के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करती है।
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