Hợp chất mới mạnh gấp 1,5 lần thuốc nổ TNT

Hóa học về chất nổ là một lĩnh vực đòi hỏi sự tinh tế. Một ít carbon, thêm một ít nitrogen, và một lượng chính xác Oxygen để có thể biến đổi một chất tương đối trơ thành một khối âm ỉ chỉ chờ bộc phát.

Trong hơn 100 năm nay, TNT đã trở thành sự kết hợp hoàn hảo của hóa học mỗi khi muốn thổi bay một điều gì đó, và thậm chí nó còn được sử dụng như một thước đo cho sức công phá của các vụ nổ hạt nhân hoặc các vụ nổ khủng khiếp khác. Nhưng một nghiên cứu mới tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos Mỹ và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội Mỹ đã khám phá ra một hợp chất hóa học mới, với nhiều ưu điểm hơn TNT, với sức công phá lớn hơn và ít độc hại khi sản xuất hơn. Nó có tên Bis-Oxadiazole (C₆H₄N₆O₈).

David Chavez, một chuyên gia về hóa học chất nổ tại Alamos, người đã nghiên cứu về phân tử mới này cho biết: "Nó mạnh gấp khoảng 1,5 lần TNT. Sức công phá rất mạnh mẽ, một bước cải tiến đáng kể so với TNT".

TNT đã trở thành sự kết hợp hoàn hảo của hóa học mỗi khi muốn thổi bay một điều gì đó.

Những vấn đề đối với chất nổ TNT

TNT, hay Tri-Nitro-Toluene, là sự kết hợp của các nguyên tố dường như vô hại như carbon, hydro, oxy và nitro (C₇H₅N₃O₆). Chavez so sánh hợp chất nổ này với xăng, khi cho biết nó không cần hút Oxy từ không khí để hoạt động giống như chất oxy hóa cho động cơ đốt nhiên liệu, đó là vì phân tử này đã có mọi thứ nó cần ngay bên trong cấu tạo của mình. Không những vậy, các nguyên tố được đóng gói một cách dày đặc với nhau trong phân tử TNT, chứ không phải một hỗn hợp pha trộn giữa không khí và xăng như trong ô tô, nên khi phát nổ nó giải phóng một khối năng lượng khủng khiếp.

TNT cũng có một ưu điểm quan trọng khác khi sản xuất: nó có thể nóng chảy được. Nói cách khác, điểm nóng chảy của TNT đủ thấp, khoảng 80^oC, để bạn có thể đun nóng chảy một cách an toàn vật liệu này thành chất lỏng, mà không làm nó tự phát nổ, vốn xảy ra ở nhiệt độ khoảng 240^oC. Điều này cho phép các nhà sản xuất có thể rót TNT dạng lỏng vào các khuôn và vỏ đạn để sản xuất bom.

Jesse Sabatini, nhà hóa học tổng hợp tại Phòng Nghiên cứu Quân đội Mỹ (ARL) tại Maryland nói: "Nơi bạn thấy thường sử dụng nhiều nhất đến nó là trong vỏ đạn cối và vỏ đạn pháo".

Nhưng TNT lại có những nhược điểm quan trọng khác dẫn đến "cuộc hành trình phát triển một loại chất nổ có thể nung chảy mới", như Sabatini cho biết. TNT và các hóa chất khác sử dụng trong các chất nổ quân sự sản sinh ra các chất ô nhiễm trong quá trình sản xuất, và chúng có thể gây nguy hiểm dù không cần phát nổ.

Nhà khoa học đang nghiên cứu tìm ra loại chất nổ mới.

"Thực sự có kha khá chất thải sản sinh ra trong khi sản xuất TNT", Chavez cho hay. "Có một số thứ được gọi là nước đỏ, thứ nước còn sót lại từ việc nitrat hóa TNT. Và sau đó khi TNT được cô lập thực sự, nó sẽ được rửa với nhiều nước hơn, và thứ nước đó là chất thải được gọi là nước đỏ, và nó có một số tác động đến môi trường".

Những chất ô nhiễm này có thể xâm nhập vào đất và nước, và do áp suất bay hơi cao của TNT, nó có xu hướng sản sinh ra các chất ô nhiễm không khí có thể gây hại cho các công nhân khi hơi nước làm tan chảy loại hóa chất này.

Ngoài ra còn có một thực tế khác về TNT, đó là loại hóa chất nổ này không có đủ Oxy trong phân tử để đốt cháy toàn bộ lượng carbon và Hydro bên trong nó. Đó là lý do tại sao bạn sẽ thấy một đám khói màu đen với phần lớn là Carbon dư sau khi TNT phát nổ. Vì vậy TNT thường được trộn với các loại hóa chất khác, ví dụ RDX để tạo thành một hỗn hợp nổ có tên gọi Composition B, thường được thấy trong nhiều loại bom. Nhưng RDX cũng sản sinh ra các chất ô nhiễm có thể ngấm vào nguồn nước, nhưng chúng không dễ phân hủy.

"Quân đội luôn muốn nâng cao hiệu suất", Sabatini cho biết. "Họ muốn vụ nổ lớn hơn. Họ muốn nhiều sức mạnh hơn. Và TNT thì ổn … nhưng chúng tôi muốn làm tốt hơn thế".

Tìm kiếm một chất thay thế cho TNT là một nỗ lực kéo dài đã đang kéo dài nhiều thập kỷ nay.

Cuộc hành trình tìm kiếm chất nổ thay thế cho TNT

Tìm kiếm một chất thay thế cho TNT là một nỗ lực kéo dài đã đang kéo dài nhiều thập kỷ nay, và trong 2016, ARL đã tổng hợp được một hợp chất với những kết quả rất hứa hẹn. Bis-isoxazole, đã chứng tỏ mình sạch hơn TNT và có thể nung chảy được, nhưng không có sức mạnh như TNT. Hợp tác cùng Los Alamos, ARL quyết định tinh chỉnh lại công thức của mình.

Bis-isoxazole chứa hai chuỗi 5 hạt nhân, trong đó có ba hạt nhân carbon, một hạt nhân Nitro và một hạt nhân Oxy. Bằng cách thay thế một hạt nhân carbon với một hạt nhân Nitro khác, các nhà hóa học biết rằng mình đã tạo ra một hợp chất với sức công phá mạnh hơn, cho dù họ không biết chắc liệu nó có nung chảy được hay không. "Thực sự không có cách nào để dự đoán được điểm nóng chảy", Sabatini cho biết.

Kết quả là một phân tử mới có thể thay thế TNT, Bis-oxadiazole. Hạt nhân Nitro được thêm vào làm gia tăng mật độ của phân tử, và việc loại bỏ một hạt nhân Carbon sẽ giúp cân bằng lượng Oxy vì vậy, toàn bộ các hạt nhân nguyên liệu trong phân tử đều được sử dụng để sản sinh năng lượng cho phản ứng. Khi các nhà nghiên cứu tổng hợp được nó trong phòng thí nghiệm, họ nhận ra rằng bis-oxadiazole có điểm nóng chảy tương đương TNT, làm nó có thể nung chảy ở nhiệt độ an toàn.

Bis-oxadiazole sẽ có tốc độ phát nổ khoảng 8,18km/s và áp suất phát nổ ở mức 29,4 Gigapascal.

Có hai thước đo chính để đo lường sức mạnh của một vụ nổ: tốc độ phát nổ và áp suất phát nổ. Theo mô hình hóa học, Bis-oxadiazole sẽ có tốc độ phát nổ khoảng 8,18 km/s và áp suất phát nổ ở mức 29,4 Gigapascal, trong khi chất nổ Composition B có tốc độ 7,8 km/s và áp suất 26 Gigapascal. Và từ những gì các nhà hóa học biết về loại vật liệu nổ mới này, bất kỳ dư chất nào từ quá trình sản xuất đều có thể được phân hủy dễ dàng trong môi trường.

Tuy nhiên, các con số cụ thể này vẫn cần được thử nghiệm. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà hóa học đã chứng minh khả năng sản sinh ra một loại chất nổ mới với khối lượng khoảng 25 gam. Những bước tiếp theo là mở rộng khả năng sản xuất lên hàng trăm gam hoặc hàng kg, để có thể kiểm tra đầy đủ độc tính của nó cũng như thử nghiệm khả năng phát nổ trên thực địa.

Ông Chavez cho biết, để đo lường trực tiếp tốc độ và áp suất phát nổ, các nhà hóa học đã tạo ra các xylanh chứa hợp chất này và đặt chúng vào một hộp bằng thép nhỏ. Một nút bấm ở trên nắp hộp sẽ kích hoạt vụ nổ, và các cảm biến đặt bên trong xylanh được sử dụng để đo tốc độ, trong khi áp suất có thể được tính toán từ vết lõm để lại trên hộp thép.

Một khi các bài thử nghiệm độc tính và khả năng phát nổ được thực hiện, nếu kết quả hứa hẹn, vật liệu mới này sẽ phải trải qua một loạt các bài kiểm tra mới để có thể kết hợp với thứ gì để đưa vào trong vỏ đạn pháo. Sau đó các nhà sản xuất hóa chất có thể bắt đầu quá trình sản xuất loại chất nổ mới này trên quy mô lớn.