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16.08.2013

Nanotechnik für hochreaktive Explosivstoffe


Ob Raketenantrieb, ob Feuerwerk, alle Explosivstoffe enthalten einen Treibstoff und ein Oxidationsmittel: bei TNT im selben Molekül; Thermit dagegen ist eine Mischung. Bei letzteren gilt: Je kleiner die Partikel, desto besser die Sprengkraft. Amerikanische Wissenschaftler berichten in der Zeitschrift Angewandte Chemie über ein neues Sprühtrocknungsverfahren zur Herstellung von Periodat-Nanopartikeln, auf deren Basis sich hochreaktive Explosivstoffe formulieren lassen.

Energetische Mischungen weisen meist eine höhere Energiedichte auf als Stoffe, bei denen beide Bestandteile in einem Molekül vorliegen. Dafür setzen Mischungen die Energie jedoch nur vergleichsweise langsam frei, denn die Reaktionspartner müssen zueinander finden. Die Nanoenergetik versucht, durch extremes Herunterschrauben der Längenskala eine raschere intensivere Vermischung von Treibstoff und Oxidationsmittel zu erzielen. In nanoenergetischen Mischungen werden meist Nanoaluminium (Aluminium-Nanopartikel) als Treibstoff und Metalloxide als Oxidationsmittel eingesetzt. Stark oxidierende Verbindungen mit hohem Sauerstoffgehalt sind eine Alternative: Periodate sind im Gegensatz zu Perchloraten kaum toxisch und ziehen kein Wasser. Die Herstellung von Nanopartikeln aus Periodatsalzen war jedoch bisher sehr schwierig. Das Team um Michael R. Zachariah von der University of Maryland hat diese Herausforderung nun gemeistert. Erfolgsgeheimnis ist ein einfaches, aber vielseitiges Aerosol-Sprühtrockenverfahren. Eine wässrige Lösung wird kontinuierlich zu Mikro-Tröpfchen zerstäubt, die während des Trocknens Wasser abgeben, bis nanoskopische Salzkörnchen entstehen.

In Formulierungen mit Nanoaluminium als Treibstoff zeigte das neue Nanoperiodat eine überlegene Reaktivität. "Unsere Formulierungen erzeugen die stärksten Gas-Druckstöße, die für nanoenergetische Materialien bisher beschrieben wurden", berichtet Zachariah.

Mit speziellen elektronenmikroskopischen und massenspektrometrischen Methoden, bei denen die Proben extrem schnell erhitzt werden können, untersuchten die Forscher die Reaktionsmechanismen. Wie sich herausstellte, ist die Freisetzung von gasförmigem Sauerstoff für die Zündung und Verbrennung der Periodat-Formulierungen entscheidend. Die Zersetzung von Kaliumperiodat (KIO4) läuft in zwei Schritten. Zunächst spaltet sich Sauerstoff ab. Das resultierende KIO3 zersetzt sich dann zu Kaliumiodid (KI) und Sauerstoff. "Anders als bei den meisten Metalloxiden ist der erste Schritt der Periodat-Zersetzung exotherm, es wird Wärme frei", erläutert Zachariah, "vermutlich der Grund für die vergleichsweise niedrige Zündtemperatur."

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Quelle: Angewandte Chemie




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