Химики из России и Китая улучшили одно из мощнейших взрывчатых веществ

Ученые заполнили поры вещества CL-20 сильным окислителем

Сотрудники РХТУ им. Д.И. Менделеева вместе с коллегами из Китая совместили в одном составе одно из самых сильных взрывчатых веществ CL-20 и экстремально активный окислитель N2O4. Результаты работы опубликованы в сентябрьском номере журнала ChemPlusChem.

Обычно энергонасыщенный материал состоит из горючего и окислителя. После какого-нибудь внешнего воздействия — например, удара или повышения температуры — они вступают между в собой реакцию, которая постепенно разгоняет сама себя, и в результате выделяется большое количество тепла, газов и появляется ударная волна — раздается взрыв. Для идеальных характеристик в ВВ должно быть поровну окислителя и восстановителя, но в реальных молекулах, в том числе CL-20, окислителя всегда меньше. В своей работе исследователи показали, что молекулы N2O4 можно включать в полости CL-20 и новое взрывчатое вещество будет получаться не только стабильным, но и обладать новыми свойствами по сравнению с чистым CL-20.

«Мы хотели ввести в CL-20 дополнительный окислитель, чтобы улучшить его энергетику, а в некоторых кристаллических модификациях этой молекулы в ее структуре как раз есть внутренние полости”, — рассказывает один из авторов работы, профессор РХТУ, Валерий Синдицкий. “Мы заполнили их чрезвычайно агрессивным соединением — тетраоксидом азота N2O4. Это очень сильный окислитель, который широко применяют в жидких ракетных топливах, и при его контакте с органическим соединением обычно начинается бурная реакция окисления-восстановления. Однако, молекулы CL-20 сами содержат так много NO2 групп, что просто не вступают в реакцию с этим окислителем и служат как бы сосудом для такого агрессивного соединения”.

Энергонасыщенные материалы используются не только в военных целях. С их помощью прокладывают тоннели, демонтируют здания и создают искусственные водоемы, такие материалы добавляют в ракетное топливо и используют в газогенераторах. Существует множество взрывчатых веществ, и CL-20 является одним из самых мощных среди них. Его скорость детонации, то есть скорость распространения ударной волны при взрыве (а это один из ключевых технических параметров ВВ) составляет около 9.5 км/с, в то время как, например, у тротила скорость детонации всего 7 км/c. Химики из РХТУ вместе с китайскими коллегами попробовали улучшить CL-20. Ученые подчеркивают, что их результат носит, прежде всего, фундаментальный характер, но также ищут практические способы применения своей разработки.

Механика разработки

Чтобы модифицировать CL-20 исследователи брали его кристаллы, растворяли их при комнатной температуре в хлороформе и добавляли жидкий N2O4, а потом из этой смеси кристаллизовался CL-20 уже с захваченными молекулами окислителя. Все эксперименты проводили в средствах индивидуальной защиты, под тягами и с маленькими объемами веществ, чтобы минимизировать опасность от взрыва. После этого ученые изучили структуру полученных соединений и показали, что N2O4 действительно встроился в полости кристалла CL-20. При этом с течением времени молекулы N2O4 диссоциируют до еще более активных соединений — радикалов NO2, а изначально белые кристаллы вместе с этим становятся коричневатыми.

Далее исследователи провели серию экспериментов по термическому разложению и горению новых соединений. То есть CL-20 не взрывали, а аккуратно сжигали, так как из информации, полученной в подобных экспериментах, можно достоверно оценить технические характеристики взрывчатого вещества. Заряд из модифицированного CL-20 запрессовывали в толстостенные трубки из оргстекла и поджигали, а с помощью встроенных тонких термопар фиксировали распределение температуры в волне горения. Одновременно весь процесс записывали на скоростную видеокамеру, чтобы потом рассчитать скорость движения фронта горения.

Оказалось, что скорость горения нового вещества превосходит аналогичную величину для чистого CL-20 в такой же кристаллической модификации, а их термическая стабильность сопоставима. А из других полученных данных ученые оценили скорость детонации нового вещества и давление в ударной волне от его взрыва и показали, что по этим параметрам модифицированный CL-20 даже превосходит чистый CL-20. До этой работы у других научных групп уже были похожие исследования с сольватами CL-20 — то есть молекулами CL-20, в полости кристаллической структуры которых заключены какие-либо жидкости, но объединять CL-20 с N2O4 еще никто не пробовал.

“Это первый пример сольвата с таким мощным и агрессивным окислителем, и мы были вообще поражены, что такое возможно”, — говорит Синдицкий. “За счет введения N2O4 мы немножко улучшили кислородный баланс системы, и в пламени появился добавочный окислитель. Он чуть-чуть, но всё-таки поднял скорость горения, у которого эта характеристика и так очень высока”.

Пресс-служба Российского химико-технологического университета им.Д.И.Менделеева