MECHANISMS OF DETONATION IN MOLECULAR CRYSTALS : A REVIEW

Le contrôle et la maitrise d'un cristal moléculaire énergétique demandent une connaissance détaillée des processus microscopiques de décomposition détonique des molécules à l'intérieur du cristal. Ce sont eux, à notre avis, qui sous tendent les interactions plus complexes que l'on devine au travers une étude thermodynamique macroscopique du phénomène. La molécule d'un composé énergétique doit porter en elle une ou plusieurs caractéristiques qui la différencient de sa voisine non explosive dans l'univers complexe de la Chimie ou de la Chimie Physique. C'est dans cet esprit de comparaison systématique que depuis 1976, nous avons mené notre investigation. Il apparait alors qu'une liaison dans un état moléculaire prédissociatif "actif" plus ou moins excité, pourrait être à l'origine du phénomène et qu'une structure en chaîne de ces liaisons dans le cristal jouerait le rôle de support de transmission au travers des interactions moléculaires de type dipolaire. Deux questions principales sont soulevées : Si un tel état existe, quel en est le processus de peuplement ? Une fois peuplé cet état et la molécule dissociée, comment s'effectue le transfert énergétique explosif dans le cristal ?The control of an energetic molecular crystal requires a detailed knowledge of the microscopic process of the explosive decomposition of the molecules inside the crystal. From our point of view, these microscopic processes underlie the more complex interactions which cannot be described through thermodynamic and macroscopic studies alone. It is our belief that the molecules of energetic materials are structurally different from those related but non-explosive materials. Since 1976, we have conducted a systematic comparison of some of these molecular structures. Our conclusion is that a bond in a predissociative "active", more or less excited state, is at the origin of the detonation phenomenon and that a chain structure of these bonds in the crystal would play the role in supporting the transmission of the detonation through molecular interactions of a dipolar type. Two main questions are raised : If such a state does exist, what is the process of populating such a state? Once this state is populated and the molecule dissociates, how does the explosive energy transfer occur in the crystal

Erratum - Why does an explosive explode ?

No abstract availabl

WHY DOES AN EXPLOSIVE EXPLODE ?

At a macroscopic level, the detonation phenomenon is well known. In this aspect, how an energetic molecular crystal detonates has been described perfectly. But the question as to why one molecular compound detonates and why another one does not is still a real fundamental problem in spite of the technical progress both in ultra fast spectroscopy and in super computer simulations of molecular electronic states and molecular dynamics. However, we should like to emphasize the following fact previously discussed (PEYRARD... paper) in the two dimensional molecular dynamics model : as much as it is well established that the electronic molecular bond structure is involved in the detonation, the crystal structure seems also very strongly implicated in the phenomenon because it controls the energy dissipation factor which is mainly determined by the balance between the energy release when molecules dissociate and the energy transferred into transverse oscillations (1)

MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS OF THE PROPAGATION OF A DETONATION WAVE IN A CRYSTAL

Nous présentons une approche microscopique des ondes de détonation induites par choc dans les solides qui utilise la dynamique moléculaire pour déterminer la structure du front de détonation. Nous montrons que des résultats utiles peuvent être obtenus a partir d'un simple modèle uni-dimensionnnel puis nous présentons les résultats de simulations sur un modèle bidimensionnel. Les échelles d'espace et de temps accessibles à la dynamique moléculaire sont discutées et nous décrivons la structure de l'onde de détonation. Nous montrons que la quantité d'énergie transférée dans les modes transversaux joue un role fondamental pour déterminer si un solide peut supporter des ondes de détonation et déterminer leur vitesse quand elles existent. La simulation de systèmes de plus grande taille montre que, dans son état stable, le front de détonation est oblique par rapport à la direction de propagation. Ceci suggère que les structures courbes associées aux cellules de détonation pourraient avoir une analogie au niveau microscopique. Des extensions possibles de la méthode sont présentées.We present a microscopic approach to shock induced detonations in solids which uses molecular dynamics to determine the structure of the detonation wavefront. We show that some useful results can be deduced from a simple one-dimensional model and then present two-dimensional simulations. The time and space scales that can be investigated in this approach are discussed and the structure of the detonation wave is described. We show that the amount of energy transferred into transverse modes plays a crucial role in determining if a solid can sustain a detonation and the speed of the detonation wave when it exists. Simulations of larger systems show that in the stable state the detonation front is oblique to the direction of the propagation. This suggests that the curved structures at the detonation front associated with detonation cells may have an analogy at the microscopic level. Possible extensions of the method are discussed

Étude par dynamique moléculaire de la propagation des détonations induites par chocs dans les cristaux énergétiques

La propagation des détonations induites par choc dans les cristaux est étudiée par dynamique moléculaire dans un réseau bidimensionnel de molécules à deux composantes. Des simulations effectuées sur un système d'assez grande taille pour réduire les perturbations dues aux conditions aux limites permettent d'observer la structure spatiale microscopique d'une onde de détonation et montrent qu'elle est corrélée à la structure cristalline. Grâce à une modélisation des réactions exothermiques entre les fragments de dissociation, nous examinons le rôle des différentes étapes de la chimie de la détonation et mettons en évidence l'importance des phénomènes de transport d'énergie. Enfin le cas d'une structure cristalline analogue à celle du nitrométhane solide est considéré

Remarques sur l'organisation du cortège et du noyau des atomes

On n'avait pu jusqu'à présent introduire la notion de couche dans la théorie des systèmes de corpuscules sans négliger une partie importante de la corrélation entre les positions des corpuscules. On décrit un procédé qui permet d'associer aux couches d'un système certains domaines d'espace. Cette méthode est applicable à la fonction d'onde rigoureuse. Il devient donc possible de parler de couche sans négliger aucune partie de la dite corrélation. On obtient de plus des indications intéressantes sur la localisabilité des corpuscules dans les cortèges et les noyaux qui permettent de présenter à partir de modèles géométriques les résultats de la Mécanique ondulatoire sans en heurter les principes. Il est intéressant de noter que dans cette théorie plus rigoureuse il semble qu'on sera conduit à remplacer les nombres quantiques individuels entiers des théories approximatives par des valeurs moyennes seulement approximativement entières, mais nous n'avons pas terminé la discussion de cette question qui devrait peut-être ouvrir une voie vers des méthodes de calcul améliorées et assouplies des grandeurs observables à partir de la notion de couche

Structure cristalline et caractère détonique des cristaux moléculaires nitrés

Afin de comprendre l'origine du caractère détonique d'un composé énergétique à l'état solide, on recherche des conditions caractéristiques liées à sa structure cristalline; on procède ici à une analyse comparée de dérivés nitrés explosifs et non explosifs. A l'échelle macroscopique, on définit la densité volumique du cristal en NO2 (ρN) dont la valeur critique distingue, parmi les 46 composés nitrés étudiés, les explosifs des autres. ρN, corrélée à la vitesse de détonation, se rattache à la probabilité de rencontrer dans le cristal les enchaînements moléculaires entre groupements NO2. Ils définissent les potentiels intermoléculaires, supports de propagation des détonations induites par choc. A l'échelle microscopique, par analyse cristallographique visualisée sur ordinateur. on dissocie les enchaînements longitudinaux (détonation) des enchaînements transversaux (dispersion de l'énergie) dont la plus ou moins grande rigidité favorise plus ou moins la vitesse, voire étouffe la détonation. L'anisotropie des détonations dans un monocristal s'interprète en partie sur ce résultat