作者:迈克尔·帕迪拉，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 分子动力学模拟预测，热点中的势能比它们的动能(或温度)显示的要多
过剩的势能与持久的应变分子状态有关，这些状态为化学反应做好了准备，并解释了为什么热点比主体反应更快
荣誉:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的超级计算机Quartz上进行的研究强调了科学家们的发现，这些发现揭示了TATB (1，3，5-trimamino-2，4，6-trinitrobenzene)和其他爆炸物中热点物理学的一个缺失方面
热点是由冲击诱导的微结构孔隙坍塌形成的局部高温区域，已知其控制炸药的锁引发和爆炸特性
热点背后的主要概念是局部温度升高会加速局部化学反应
这项研究刊登在3月11日出版的《物理化学快报》上，是LLNL和普渡大学的合作项目
作者包括来自LLNL的马修·克隆布拉德和来自普渡的布兰登·汉密尔顿、李春雨和亚历杭德罗·斯特兰昌
这项工作突出了热点形成和演化早期阶段被忽视的物理方面，为系统地改进用于评估性能和安全性的冲击引发和爆炸的多物理模型提供了途径
斯特拉坎说:“早期反应分子动力学模拟得出的最令人困惑的结果之一是，在塌陷的孔隙中形成的热点比在相同尺寸、温度和压力的散装材料中形成的热点反应更快。”
“虽然得到承认，但这些差异背后的原因并不为人所理解
我们的研究解决了这个问题，因为我们发现坍塌孔隙中的爆炸材料从根本上不同于散装材料，它处于高能状态，为化学反应做准备
" 了解热点的重要性 TATB是一种对国家核储备至关重要的钝感高能炸药，在连续体尺度上建模具有挑战性
爆炸安全性和爆炸性能的工程模型依赖于以热点的形成和增长为中心的物理模型
Kroonblawd解释说，“用于评估安全性和性能的连续水平多物理模型是高度经验性的，这使得很难创建可转移到不同应用条件的爆炸模型
缺乏可转移的模型，尤其是对不敏感的烈性炸药，如TATB
从第一性原理建立爆炸模型仍然是不可能的，这表明我们对热点物理和化学的理解缺少关键方面
" 这些模型依赖于化学反应和热传输的精确处理；热点是否会增长并凝聚成爆震波取决于化学反应产生的热量和热传导造成的热量损失之间的竞争
找出热点反应速率差异背后的原因，为制定更通用的爆炸模型提供了一条途径，从而提高其预测准确性和可转移性
虽然这些模型通常将温度作为控制化学的主要变量，但研究结果表明，根据势能重新构建这些模型将产生更普遍的处理方法，可以区分不同材料状态的不同反应性
通过全原子分子动力学模拟，研究人员发现热点不仅是局部动能(或温度)区域，也是局部势能区域
势能的数量远大于动能的数量，它集中在与化学分解相关的分子模式中
势能局部化表现为材料塑性变形区域的分子水平应变，这将导致反应的机械化学加速
“关键的一点是，在这些系统中，动能和势能之间没有一对一的关系，因此，我们不能仅从温度场来推断局部反应速率，”汉密尔顿说
团队进行大规模模拟 这项工作由LLNL高能材料中心(EMC)和普渡大学材料工程系的材料科学部门的工作人员进行，得到了LLNL实验室指导的研究和开发战略计划的支持，由EMC总监Lara Leininger担任首席研究员
这项工作包括在利弗莫尔计算机器石英上运行大规模全原子模拟，这些模拟是使用LLNL的计算大挑战授予的计算时间进行的
为了研究热点中动能和势能的长期弛豫特性，研究小组开发了一种新方法，称为激波捕捉内部边界
“一般来说，激波模拟在时间上受限于激波到达下游模拟边界的时间，这会产生改变状态的反射波，”汉密尔顿说
“在我们的方法中，我们可以隔离热点或任何感兴趣的区域，防止反射与它相互作用，从而可以对时间演化进行连续研究
" 这使得研究小组能够量化动能和势能的弛豫速率，以确定在热传导耗散动能后热点的势能仍然存在
分子动力学模拟预测，热点中的势能比它们的动能(或温度)显示的要多
过剩的势能与持久的应变分子状态有关，这些状态为化学反应做好了准备，并解释了为什么热点比主体反应更快
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