Bom Bucky “bộc lộ” tiềm năng năng lượng của vật liệu nổ có kích cỡ nano

Hình dạng phân tử quả bom bucky phát nổ.

Các nhà khoa học đã mô phỏng về sự phát nổ của phân tử fulleren C60 biến đổi (một dạng thù hình của carbon và là dạng phân tử lớn được tạo bởi nhiều nguyên tử carbon C60), còn được gọi là quả bóng bucky (buckyball), và cho thấy phản ứng này tạo ra sự thay đổi lớn về nhiệt độ và áp suất trong khoảng thời gian ngắn. Chất gây nổ có kích cỡ nano này, được các nhà khoa học gọi là “bom bucky”, là lĩnh vực mới nổi của vật liệu nano năng lượng cao, có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và quân sự.

Mô phỏng về sự phát nổ của bom bucky mới đây đã được nhà nghiên cứu Vitaly V. Chaban, Eudes Eterno Fileti, và Oleg V. Prezhdo tại trường Đại học Nam California - Los Angeles công bố trên tạp chí The Journal of Physical Chemistry Letters mới đây.

Bom Bucky kết hợp các đặc tính độc đáo của hai loại vật liệu: các cấu trúc cacbon và các vật liệu nano năng lượng cao. Vật liệu cacbon, chẳng hạn như C₆₀, có thể dễ dàng “biến đổi” về mặt hóa học để làm thay đổi các đặc tính của chúng. Trong khi đó, các nhóm NO₂ đóng góp vào quá trình phát nổ và bốc cháy do chúng có nguồn gốc chính từ oxy. Vì vậy, các nhà khoa học tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu các nhóm NO₂ gắn vào các phân tử C₆₀.

Mô phỏng này đã trả lời cho những câu hỏi đó bằng cách cho thấy chi tiết từng bước của sự phát nổ. Khởi đầu bằng một quả bom bucky nguyên vẹn (C₆₀(NO₂)₁₂), các nhà khoa học đã tăng nhiệt độ mô phỏng đến 1000 K (700°C). Trong khoảng thời gian một phần nghìn tỷ giây (picoseconds, 10-12 giây,), các nhóm NO₂ bắt đầu đồng phân hóa, tái sắp xếp các nguyên tử của chúng và hình thành các nhóm mới bằng một vài nguyên tử cacbon từ C₆₀. Khi một vài phần nghìn tỷ giây trôi qua, cấu trúc C₆₀ bị mất đi một số electron của chính nó, điều này gây trở ngại cho sự liên kết để giữ nó lại với nhau, và trong nháy mắt, các phân tử lớn phân rã thành nhiều mảnh nhỏ cacbon hai nguyên tử (C₂). Những gì còn lại là một hỗn hợp khí gồm CO₂, NO₂, N₂ và C₂.

Mặc dù phản ứng này đòi hỏi gia nhiệt ban đầu, nhưng một khi phản ứng xảy ra nó giải phóng ra một lượng nhiệt cực kỳ lớn so với kích thước của nó. Trong khoảng thời gian một phần tỷ giây, nhiệt độ tăng từ 1000 K đến 2500 K.  Nhưng tại thời điểm này các phân tử ở trạng thái không bền, do đó trong 50 pico giây sau, các phản ứng thêm vào gia tăng nhiệt độ lên đến 4000 K. Tại nhiệt độ này, tùy thuộc vào mật độ của vật liệu, áp suất có thể cao tới 120MPa (lớn hơn 10.000 lần áp suất không khí thông thường).

Về mặt hóa học, các nhà khoa học giải thích rằng năng lượng nhiệt được sản sinh từ mật độ lưu trữ năng lượng cao do các liên kết cộng hóa trị cacbon-cacbon trong C₆₀. Do nhóm NO₂ “khởi động” phản ứng, việc bổ xung nhiều nhóm NO₂ hơn sẽ làm tăng lượng năng lượng giải phóng ra trong quá trình phát nổ. Việc chọn lựa một số lượng thích hợp các nhóm NO₂, cũng như thay đổi nồng độ hợp chất, sẽ cung cấp các phương thức để kiểm soát cường độ phát nổ.

Các nhà khoa học dự đoán rằng sự giải phóng nhanh chóng năng lượng hóa học sẽ tạo ra nhiều cơ hội hấp dẫn trong việc thiết kế các vật liệu nano năng lượng cao mới.

Theo Vista.gov.vn