Редактор «Гиктаймс»
873,6
рейтинг
5 марта 2015 в 21:09

Взрывчатка из наноматериала: додеканитрофуллерен



Учёные провели компьютерную симуляцию декомпозиции нитрофуллерена, то есть модифицированных молекул фуллерена C60. Они показали, что реакция высвобождает большое количество энергии (температура поднимается до тысяч градусов, давление до нескольких бар) за несколько пикосекунд. Это первая детальная симуляция взрывчатки такого типа.

Новый материал с формулой C60(NO2)12 принадлежит к активно развивающемуся новому направлению химии, которое изучает высокоэнергетические наноматериалы из углерода. Такие вещества найдут применение в промышленности, военном деле и даже медицине (например, для взрыва отдельных бактерий).

При нагревании C60(NO2)12 до 1000°K происходит изомеризация NO2 в C–O–N–O в течение 1 пикосекунды. Сразу после этого осуществляется эмиссия молекул NO и формирование групп CO на поверхности фуллерена.



Молекулы NO окисляются до NO2 (<10 пс), а структуры бакминстерфуллерена C60 окисляются до CO2 (несколько десятков пикосекунд). При нагревании до нескольких тысяч кельвинов молекулы CO2 восстанавливаются до диуглерода C2. Процесс показан на иллюстрациях.





Авторы научной работы — группа химиков из университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе: Виталий Чабан, Олег Преждо и Эд Этерно Филети (Eudes Eterno Fileti) — опубликовали статью “Buckybomb: Reactive Molecular Dynamics Simulation” в журнале “The Journal of Physical Chemistry Letters”.

Исследование показало, что температура начала реакции и высвобождаемая энергия сильно зависят от химического состава и плотности материала.

Вообще, полинитрофуллерены — стабильные молекулы, которые уже научились синтезировать в лабораторных условиях. Группа NO2, как известно, широко применяется в различной взрывчатке, быстро освобождая энергию во время полного или частичного окисления промежуточных продуктов реакции.

Учёные исследовали разные варианты нитрофуллеренов, с шестью и девятью группами NO2. Они стабильны при комнатной температуре, но не показывают такой силы детонации. Молекулы с 14 группами NO2, с другой стороны, нестабильны. Так что додеканитрофуллерен — наиболее подходящий компромисс для данной практической задачи.
Анатолий Ализар @alizar
карма
682,6
рейтинг 873,6
Редактор «Гиктаймс»
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (59)

  • +14
    Где же сравнение с классическими взрывчатыми веществами?
    • 0
      Видимо оно смотрелось слишком плохо…
      Судя по всему, мощность тут весьма слабая.
  • +1
    Главное не только мощность, но и сложность/стоимость производства такого ВВ
    • +1
      Это не самое главное. Для военных например, разведки… можно оправдать и 1 грамм взрывчатки за миллион зеленых, если она будет способна разнести в щепки небольшой домик.
      • 0
        Я с Вами не соглашусь.

        Если за работу по сносу старого сарая, к примеру, тратят 100,000 рублей, то почему нужно покупать взрывчатку за миллион рублей? Да, взорвётся, да, быстро. Но зачем? За сутки этот сарай по кирпичику разберут и, что главное, тихо, без пыли.

        А с военными так вообще полный абзац.
        Если Вы с военными работали, то знаете как тяжело оправдать расходы на что-то новое да и вообще внедрить какую-либо инновацию. Ваша ракета стоимостью полтора миллиона долларов разнесёт этот бункер? Простите, но этот же бункер разнесет и ТОС «Буратино», залп которой (не один выстрел) стоит $250,000. А ещё для Вашей ракеты нужно технологически сложное производство и штат высококвалифицированных сотрудников. Выстрелы для «Буратино» делаются чуть-ли не на коленке и в случае полномасштабной ядерной войны производство можно развернуть в подводной пещере Чёрного моря и работать там будут лица «непризывного» возраста.

        Хотя, быть может, мы говорим о военных разных государств? Как там «у них» я не знаю, но вроде бюджет немного подрезали даже американцам. У них единственный катализатор для повышению военного бюджета — участие в какой-нибудь локальной войнушке.

        P.S. Все цены взяты, как говорится, «от балды»
        • +1
          Разведка — дело очень тонкое. Скрытность там всегда в приоритете.
          Что будет лучше использовать для подрыва секретного здания — 1-граммовую взрывчатку за лям зеленых денег, или дешевый «Буратино» за 100 тыс, который обнаружат еще на подступах и уничтожат? К тому же, его не переместишь незаметно туда куда требуется.
          Есть цели, где такие средства оправданы.
          • 0
            В разведке тоже не дураки сидят и деньги распылять просто «для фана» не будут.
            Вы не цепляйтесь к словам, ведь я примеры приводил.
            Ну, пускай не «Буратино», а «Точка-У», какая разница?
            Я предполагаю, что текущих вооружений может быть достаточно. Описанное в статье перспективное ВВ, возможно, будет просто экономически не выгодным, а может быть вообще вымыслом или набором формул на бумаге. Типа, как холодный синтез.
            • 0
              Поначалу очень многие инновации экономически не выгодны. Сколько раз телеграфный кабель между континентами протягивали прежде чем появилась стабильная связь? Главное не останавливаться на достигнутых результатах, а пытаться усовершенствовать то что есть или создать новое, более эффективное. С этой точки зрения сложность/стоимость уходит на второй план, а приоритет отдаётся результату.
            • 0
              Точка У это уже палево и агрессия, если речь идет о диверсиях. Нахрена морочиться было с полонием если Литвиненко можно было просто разбомбить с неба крылатыми ракетами как Дудаева?
      • +2
        Не получится. Химическая запасенная энергия в каком-нибудь гексогене или нитроглицерине близка к максимально возможной. В каких нибудь экзотических сильно механически напряженных соединениях она может быть больше, но не сильно.
        • 0
          А если не химическая? Ядерная например…
          • +1
            Уже есть, но очень дорого. И грязно.
            • 0
              Еще там, емнип, есть ограничение на минимальную мощность.
              • 0
                Мина мощностью 10 т стояла на вооружении…
                Можно сделать и ещё слабее, но мина от этого не станет меньше или легче. Так какой смысл?..
            • 0
              Отнюдь не очень дорого.
              Один выстрел снарядом в 10 кт заменяет налёт сотни бомбардировщиков…
              • 0
                В ситуации, когда нужно подорвать, например, 1Т в черте города — использовать снаряд на 10КТ будет как-то не комильфо.
                • 0
                  В чём же не комильфо?..
                  Если вы взрываете 1 т посреди города, то там уже не идёт никакой речи ни о каком точечном воздействии, безопасном для окружающих объектов. Такой взрыв может разрушить целый квартал! Взрывать 1 т вы можете только тогда, когда желаете максимальных разрушений всего и вся. А в этом случае 10 т вам подойдут ещё лучше.
                  • 0
                    Ну вот, допустим, нужно как раз таки квартал старых строений снести :)
                    Мало ли применений.
                    А от ядерного заряда еще и заражение местности будет.
                    • 0
                      Когда сносят старые строения, каждое здание исследуется инженерами, в нём выявляются наиболее напряжённые участки и туда закладываются небольшие заряды взрывчатки. Ни о каком взрыве в тонну тротила там и близко речи не идёт!
                      • 0
                        Да это просто пример из головы был. Я к тому, что и у компактного заряда на 1Т, не вызывающего радиоактивного заражения местности, может быть куча применений.
                        • 0
                          Такой заряд принципиально невозможен.
                          • 0
                            Почему принципиально?
                            Или вы хотели сказать, что невозможно запасти столько энергии в виде хим. соединений?
                            • 0
                              Совершенно верно: предельно мы можем получить примерно 27 МДж/кг, если будем использовать жидкий фтор с жидким водородом. Это в шесть с небольшим раз мощнее тротила. Бомба на такой смеси в 1 т тротила будет весить более 150 кг (10 т ядерный заряд весил 23 кг).
                              Сразу отмечу: у бензина энергия сгорания 42 МДж/кг, но она не учитывает массу кислорода…
                              • 0
                                А существует ли возможность при текущем состоянии дел в материаловедении создать сколько-нибудь юзабельную фтор-водородную гранату?
                                • 0
                                  Сделать-то можно. Баллон с перегородкой, которая разрушается в нужный момент. Далее фтор с водородом мгновенно реагируют без каких-либо детонаторов. Но смысла нет: плотность у них в газообразном состоянии никакая.
                                  А криохолодильник для хранения жидкостей в гранату не запихнёшь…
                                  • 0
                                    Почему не хранить их под давлением?
                                    Черт побери, а фтор разве не разъест корпус гранаты? Сильнейший окислитель ведь…
                                    • 0
                                      Так я же и сказал: «баллон»…
                                      Только вы какое давление сделаете? Не 500 же атмосфер…
                                      А что до разъедания, то хранят же его… Цитата из Википедии:
                                      Фтор хранят в газообразном состоянии (под давлением) и в жидком виде (при охлаждении жидким азотом) в аппаратах из никеля и сплавов на его основе (монель-металл), из меди, алюминия и его сплавов, латуни, нержавеющей стали (это возможно потому, что эти металлы и сплавы покрываются непреодолимой для фтора пленкой фторидов).
                                      • 0
                                        А почему бы и не 500 атмосфер. это уже будет сама по себе взрывчатка, даже если аргона накачать.
                                        • 0
                                          Потому, что прикиньте массу баллона и поймите, что тогда эффективнее взять банальный тротил вообще без корпуса.
                                          • 0
                                            Без корпуса поражающий фактор маловат…
                                            Для прикинуть опыта малова-то, но я видел компактные баллоны на 200 атмосфер.
                                            На 200 грамм смеси фтор+водород, какой по размеру/массе нужен баллон?
                                            Должно быть, производство таких гранат будет еще опасней чем с привычным ВВ. К опасности взрыва(водород очень текучий) прибавится опасность утечки фтора…
                                            • 0
                                              Взрыв просто баллона с газом не даёт мелких осколков, так что никаких преимуществ перед тротилом.
                                              Но взрыв фтора с водородом, конечно, сталь раздробит.

                                              Плотность водорода при нормальных условиях — 0,09 г/л, фтора — 1,7 г/л. Смеси 50/50 — 0,076 г/л.
                                              Плотность смеси 50/50 при давлении 200 атмосфер — 15,3 г/л.
                                              Соответственно, на 200 г смеси фтора и водорода потребуется баллон объёмом 13 литров. Ближайший из стандартных — 10 литров. Он, стальной, весит 13 кг…
                                            • 0
                                              > водород очень текучий

                                              И вот тут встает во весь рост еще и проблема хранения таких боеприпасов — баллон с водородом нужно будет периодически (вероятно раз или два в год) проверять и пополнять.
      • 0
        Никакая химическая взрывчатка не способна разнести домик при массе в 1 г. Это принципиально невозможно.

        Кстати, что характерно, ядерное оружие экономически выгодно, т.к. термоядерная боеголовка в 1 Мт гораздо дешевле миллиона тонн тротила.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • 0
            В 19 веке принципиально невозможно было 100 килограммами вещества стереть с лица земли целый город. Позже «Малыш» на Enola Gay доказал обратное.


            100 кг горючего ещё задолго до 19-го века было достаточно чтобы сжечь до тла город.
            А Малыш весил 4000 кг.

            Если на данный момент еще не существует таких веществ, то это не значит что процесс в принципе не возможен.


            Как раз значит. С момента открытия Менделеевым его периодического закона стали ясны химические свойства не только всех существующих элементов, но и тех, что только могут быть получены в будущем. Откуда мы точно знаем, что никаких «волшебных» химических веществ в будущем найдено не будет.

            Три литра этого гремучего газа вполне могут разнести домик, если взорвутся внутри. А ведь там врядли будет даже один грамм.


            Нет, не могут.
            Прочность стен на порядки больше прочности окон.
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              • 0
                — Не было. И не сжечь, а стереть с лица земли — это разные вещи. Даже тротилл в 19 веке изобрели.


                Ещё как было. Города спокойно сжигали устраивая обычные пожары.
                Никакого стирания не было и в Хиросиме. Её разрушили в первую очередь пожары, вызванные взрывом.
                100 кг тротила как раз не могут уничтожить город. А вот 100 кг масла, если потратить их на поджоги — ещё как.

                — Малыш весил 64 килограмма. Я надеюсь вы понимаете, чем отличается масса взрывчатого вещества, от массы посудины, где оно находится?


                «Малыш» — это бомба. И она весила 4000 кг.
                64 кг — это масса оружейного урана в нём. Но сам по себе этот уран сможет разрушить от силы один дом ( с чем справляются и 64 кг тротила). Чтобы он мог уничтожить город, нужно ещё 3936 кг дополнительного оборудования.

                — А дело не в волшебных веществах, а в комбинации существующих.

                Самая сильная комбинация — это водород и фтор. Ничего сильнее (на единицу массы) не может быть в принципе.
                Комбинации известных веществ перебирают чтобы получить безопасность, надёжность, технологичность и т.д. Но педел по мощности заведомо известен. Впрочем, применяемые на практике взрывчатые вещества проигрывают смеси водорода и фтора в несколько раз, так что им очень даже есть куда развиваться. Но, ещё раз, предел нам уже известен.

                Вы что ли понятия не имеете как происходят взрывы?

                Я это отлично знаю. И делал вещи по-интереснее гремучего газа.
                Да только это никак не отменяет того, что 3 литра гремучего газа при атмосферном давлении принципиально не способны разрушить сколько-нибудь прочное строение (бумажные японские домики в расчёт не берём). Для разрушения нужна энергия. Взрыв внутри использует энергию куда эффективнее, чем снаружи. Но если 100% этой энергии всё равно недостаточно для разрушения, то хоть ты тресни, стены останутся на месте.
                3 л гремучего газа с идеальным соотношением воздуха и водорода дадут 12 кДж энергии. Это — 3 г тротилового эквивалента. Нравится вам это или нет, но этого совершенно недостаточно для разрушения строения.
                • 0
                  > Самая сильная комбинация — это водород и фтор.

                  А если уйти от химии? Например, некий гипотетический аккумулятор на сверхпроводниках, который может запасти все эти тысячи гигаджоулей.
                  • 0
                    Магнитное поле создаёт давление. Чем больше мы пытаемся вогнать в него энергии при неизменном объёме — тем больше давление. Прямо как в случае газа. А прочность материалов ограничена всё той же химией…

                    Есть гипотетический вариант термоядерной бомбы на чистом гелии-3 (без дейтерия). Если удастся создать условия для его взрывного термоядерного горения без использования взрыва плутония, то это будет экологически абсолютно чистый вариант, при этом содержание энергии в чистом гелии-3 составляет более 205 ГДж/г, что почти в 50 000 000 раз больше, чем в тротиле. 0,1 г гелия-3 при быстром сгорании с эффективностью 20% дал бы нам взрыв как раз 1 т тротилового эквивалента.
                    Но вот незадача: все попытки сделать бомбу на смеси дейтерия и трития без использования плутония (такая бомба создавала бы радиоактивное загрязнение, но оно было бы на несколько порядков меньше, чем от существующих) окончились провалом. А ведь эта задача на два-три порядка проще… Опять упираемся в химию: не хватает энергии обычной взрывчатки, чтобы сжать и разогреть смесь до нужных температур и давлений. Необходимое сжатие удалось получить без плутония только с помощью лазерных установок размером с завод. И уменьшение их размеров до чего-то мобильного опять-таки невозможно из-за химии: она определяет оптическую прочность материалов. Ни один материал не сможет выдержать ту плотность лазерного излучения, которая потребуется чтобы сделать установку компактной.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  • +1
                    Правильно: вам не надо со мной разговаривать, вам надо учить ядерную физику.
                • 0
                  Как бы наоборот, без 64кг урана имеется 3936 кг бесполезного хлама не способного ни на что. основную энергию взрыва дают именно те самые 64кг, как только реакция пошла 3936 кг бесполезного оборудования будут только мешать.
                  • 0
                    как только реакция пошла 3936 кг бесполезного оборудования будут только мешать.


                    С точностью до наоборот!
                    Без «бесполезного хлама» реакция мгновенно прекратится.
                    Вот срабатывает нейтронный инициатор, начинаются первые реакции деления. Что дольше? Дальше отражатель нейтронов возвращает нейтроны этих реакций назад в уран, чтобы они породили новые реакции. Без отражателя урана потребовалось бы значительно больше, чем реально есть в бомбе, так что бомба вообще не взорвалась бы.
                    Ну ладно, взяли больше урана, чтобы и без отражателя работал. Что тогда? Тогда, конечно, реакция начнёт ускоряться. Уран нагреется. Испариться, превращается в плазму… И разлетится во все стороны, останавливая реакцию! Конечно, разлёт урановой плазмы вызовет разрушения, но на уровне обычной авиабомбы… Чтобы этого не происходило, уран окружают максимально тяжёлой оболочкой, которая своей массой сдерживает разлёт урановой плазмы, позволяя реакции протекать на порядки дольше, обеспечивая необходимый выход энергии.
                    • 0
                      Без бензина — машина груда бесполезного хлама.
                      Так и 64кг урана в бомбе являются источником энергии взрыва. И не важно сколько и чего нужно для того чтобы взрыв произошел — без топлива ничего не будет.
                      • 0
                        А нам какая от того радость?..
                        Забыли? Тут разговор о том, чтобы маленькой бомбочкой снести целый город. А она нифига не маленькая: как три автомобиля весит! И от того, что энергию в ней выделяет лишь 64 кг урана, её размеры и вес меньше не становятся.
                        • 0
                          > чтобы маленькой бомбочкой снести целый город. А она нифига не маленькая: как три автомобиля весит!

                          К слову, прогресс с тех пор ушел немного вперед, и подобные дивайсы уже есть в носимом варианте, например:



                          Мощность до 1 КТ.
                          • 0
                            Это действительно атомная бомба? Такая маленькая?
                            • 0
                              Уменьшить критическую массу ядерного топлива — это вопрос степени очистки, и если не ошибаюсь критическая масса тория-232 в несколько раз меньше чем урана.
                              Дорогой будет заряд, но возможен.
                              • 0
                                Емнип, для изотопов Калифорния критическая масса в районе единиц килограмм.
                                Стоит он, правда, очень дохрена.
                                • 0
                                  Плутоний-239 с отражателем — 4-6 кг. Т.е. те же самые единицы килограмм.
                                  У калифорния-251 (который в жёлтой прессе объявляют основой ядерных пуль) критическая масса 5,5 кг без отражателя, 2,0-2,5 кг с отражателем.
                                  Разница, как видим, абсолютно непринципиальная.
                                  Вот на тепловых нейтронах, когда есть замедлитель, критическая масса калифорния-252 может составлять всего 20 г, в то время как плутония-239 нужно взять хотя бы 300-350 г.
                                  • 0
                                    > У калифорния-251 (который в жёлтой прессе объявляют основой ядерных пуль) критическая масса 5,5 кг без отражателя, 2,0-2,5 кг с отражателем.

                                    А не 1.94кг без отражателя?
                                    К слову, «Встречающиеся иногда оценки критической массы, составляющие порядка 10 г, относятся к водным растворам солей калифорния» (с).
                                    • 0
                                      В библиотеке ENDF/B V 238 для Cf-251 на быстрых нейтронах без отражателя дана критическая масса 5,46 кг, с 30-см стальным отражателем — 2,27 кг.

                                      А водные растворы солей — это и есть на тепловых нейтронах. Вода — замедлитель.
                                      • 0
                                        Да, вы правы, нашел этот документ.
                                        В разных источниках разное пишут.
                              • 0
                                У тория-232 критическая масса бесконечна. Он вообще в принципе не поддерживает цепную реакцию.
                                У урана-235 среди поддерживающих цепную реакцию изотопов критическая масса одна из самых больших. У того же плутония-239 она в пять раз меньше.
                                Но, вопреки газетным уткам, граммы, десятки и сотни грамм критической массы в случае бомбы (т.е. реакции на быстрых нейтронах) невозможны. Минимум килограммы нужны.
                                Однако всё это не имеет большого значения: делящиеся вещество во всех случаях составляет лишь малую часть массы ядерного заряда. Такова уж жизнь…
                            • 0
                              Да.
                            • 0
                              Есть ядерный заряд W54:
                              Картинка
                              image

                              Весит 23 кг. НО всего 20 т мощности. Без тяжёлой оболочки плутоний разлетается прежде, чем успеет прореагировать даже всего 1%.
                          • 0
                            Есть и заряд весом в 23 кг… Да толь кон вообще 20 т.
                            1 кт недостаточно для разрушения города.
    • +4
      К взрывчатке предъявляется целая куча противоречивых требований — и стабильность при хранении (в т.ч. чтоб не было слёживания), и детонационная стойкость (чтоб не взрывалась от вибраций или даже при случайном повреждении заряда пулей/осколком), и чтобы скорость распространения взрывной волны была в определённых предлах (есть какие-то нормы для бризантных и инициирующих ВВ)…
      А ещё требования по агрегатному состоянию, летучести, токсичности.
      Ну и куча прочего. Причём ряд особенностей выявляется только при длительной эксплуатации, поэтому новые ВВ так долго внедряются — пока их ещё обкатают…
      К тому же химические ВВ уже близки к своему пределу — если их мощность ещё можно увеличить, то уже явно не намного. Поэтому сейчас всё больше шаманят не с химией ВВ, а над конструкцией боезаряда — направленные взрывы, поражающие элементы, объёмный взрыв, термобарические боеприпасы, кумулятивные и т.д.
      В общем, пытаются выжать как можно больше из как можно меньшей мощности собственно взрывчатки.
  • 0
    У нас тут 12 атомов кислорода. Окислить они могут максимум 12 же атомов углерода (до угарного газа, это энергетически выгоднее, чем шесть атомов до углекислого).
    Энергия связи угарного газа 1072 кДж/моль.
    Из одного моля этого додеканитрофуллерен получится 12 моль угарного газа. Значит оценка сверху выделения энергии 12,9 МДж/моль. Масса одного моля додеканитрофуллерена — 1,27 кг. Получается, грубо говоря, 10 МДж/кг.
    Вообще говоря — очень хорошо. В полтора раза больше, чем у этиленгликольдинитрата (ЭГДН).
    НО, ещё раз, «оценка сверху»… Как если бы там были свободные атомы углерода и кислорода. А это совсем не так! Энергия связи атомов углерода друг с другом там больше 500 кДж/моль, а значит уже мощность взрывчатки вдвое меньше — не более 5 МДж/кг (у дешёвого ЭГДН — 6,9 МДж/кг). Добавляем (точнее — вычитаем) ещё энергию связи кислорода с азотом, учитываем, что энергия тратится не только на отрыв нужных нам атомов углерода, но и соседних, и получаем, что в лучшем случае эта штука по мощности равна тротилу (4,2 МДж/кг), а скорее всего — заметно слабее.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.