إطلاق طاقة مبرمج متعدد المقاييس في مركبات متآزرة متفجرة ذات هياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد

بناء انفجارات أكثر أمانًا وذكاءً

توفر الانفجارات الطاقة للصواريخ والوسائد الهوائية والتعدين، لكن الطاقة المُطلقة منها غالبًا ما تكون صعبة التحكم. تستكشف هذه الدراسة كيفية تشكيل تلك الطاقة في الزمان والمكان عن طريق الجمع بين جزيئات تفاعلية مصممة خصيصًا وتقنيات طباعة ثلاثية الأبعاد متقدمة. والنتيجة فئة جديدة من المواد المتفجرة يمكن ضبط سرعة الاحتراق لديها وموجة الضغط وشكل كرة اللهب فيها بطريقة هندسية أكثر من كونها دَفعة مفاجئة بسيطة.

جمع عالمين متفجرين معًا

تخزن المتفجرات التقليدية، مثل HMX، الوقود dhe المؤكسد داخل جزيئات مفردة وتنتج أحجامًا كبيرة من الغاز الساخن بسرعة. هي جيدة في توليد موجات صدمية قوية لكنها محدودة في كمية الحرارة المُفرَج عنها وطول مدة التفاعل. عائلة أخرى من المواد، تُسمى المركبات التفاعلية القائمة على المعادن، تخلط وقودًا معدنيًا مع مؤكسدات صلبة. هذه تحرق بحرارة وكثافة عالية لكنها تترك في الغالب مخلفات صلبة، فتكون كفاءة بناء الضغط أقل. سعى المؤلفون إلى دمج هذين النهجين بطريقة تسمح لكل منهما بتعويض نقاط ضعف الآخر.

تركزوا على مركب مصمم من جزيئات الألمنيوم والتيتانيوم وأكسيد النحاس ملتفة حول بلورات HMX. باستخدام طريقة خلط صوتية، تسببوا في أن تغطي حبيبات المعادن والأكسيد الدقيقة البلورات المتفجرة الأكبر وتلتصق بها، مكونة جزيئات بنية قلب–غلاف موحدة. أكدت المجهرية واختبارات الأشعة السينية أن المكونات بقيت منفصلة كيميائيًا أثناء التحضير لكنها متشابكة بشكل وثيق في البنية. من بين عدة نسب خلط، أعطى المزيج المكون من 40 بالمئة من المركب المعدني و60 بالمئة HMX أفضل تغطية وتعبئة أكثر كثافة.

كيف تحترق الجزيئات الجديدة

عند تسخينها بلطف، يذوب HMX النقي ثم يتحلل في دفعة سريعة منتجة للغاز. في جزيئات المركب الجديدة، يغير الغلاف الغني بالمعادن هذا السلوك. يدفع HMX لبدء التفكك عند درجة حرارة أقل قليلًا وفي صورتيه الصلبة والمنصهرة، بينما الغازات والحرارة المبكرة من HMX تُشغّل مرحلة ثانية أبطأ: تفاعلات مكثفة بين المعدن والأكسيد تمتد حتى نحو 1000 درجة مئوية. تُظهر قياسات الأشعة تحت الحمراء وقياسات مطياف الكتلة أن وجود الألمنيوم والتيتانيوم والنحاس لا يسرّع فقط المرحلة الأولى بل يمهد مسارات تحلل تفضّل استمرار إطلاق الحرارة بدلاً من إنتاج نواتج ثانوية غير مستقرة.

لدى هذه التغييرات المجهرية تأثيرات واضحة على المقياس الكبير. في الهواء الطلق، تكشف اختبارات الإشعال بالليزر أن جميع المساحيق المختلطة تحترق بقوة أكبر من HMX وحده، الذي لا يشتعل تحت نفس الظروف. يظهر مزيج 40–60 بشكل خاص لهبًا طويلًا ومستقرًا يدوم لفترة أطول عند درجات حرارة عالية مقارنة بالخليط الأغنى بالمعادن، الذي يحترق بعنف لكنه يخفت بسرعة. في أوعية مغلقة، يؤدي إضافة المركب المعدني إلى زيادة حادة في كل من الضغط الأقصى ومعدل ارتفاع الضغط، بفضل التآزر بين الغاز الساخن من HMX والحرارة من تفاعل المعدن الصلب إلى حد كبير. تحت حصار هندسي معتدل، يمكن للخليط أن يتحول حتى من احتراق بسيط إلى تفجير عندما تعزز موجات الضغط وإنتاج الغاز بعضها بعضًا.

طباعة الطاقة في ثلاثة أبعاد

للتقدم إلى ما هو أبعد من المساحيق المتحررة، حول الفريق المركب المحسّن إلى حبر قابل للطباعة باستخدام رابط مطاطي. أظهرت اختبارات الريولوجيا أن الحبر يتدفق تحت القص لكنه يستعيد صلابته بعد الطباعة، وهي خاصية أساسية للكتابة بالحبر المباشر. طبعوا خيوطًا مستقيمة وهياكل أسطوانية "قلب–غلاف" حيث قضيب مركزي من HMX يلتف به غلاف خارجي من المركب. أكدت المجهرية أن الخيوط المطبوعة كثيفة ومستمرة، مع حبيبات الأكسيد المعدني الأدق محشورة حول الحبيبات المتفجرة الأكبر. أشارت اختبارات السلامة إلى أنه بالرغم من حساسية أعلى للصدمات والاحتكاك مقارنة بـ HMX وحده، يمكن التعامل مع المواد بأمان أكبر عندما تُشكَّل عن بُعد بالطباعة ثلاثية الأبعاد بدلاً من صبها يدويًا.

عند إشعالها، تحترق خيوط المركب المطبوعة أسرع وبشكل أكثر انتظامًا من خيوط HMX المطبوعة، وفي غرف الضغط تنتج ضغوطًا قصوى أعلى مع صعودات ضغط ثانوية بينما تلحق تفاعلات المعدن بانفجار الغاز الأولي. في تجارب إطلاق كاملة النطاق في الهواء، تولّد الشحنات ذات قلب–غلاف كرات لهب كبيرة وطويلة العمر وموجات صدمة أقوى من كتل متساوية من HMX، كما ترش شظايا محترقة تخضع لانفجارات ثانوية صغيرة. تسجل كاميرات الحرارة درجات حرارة متوسطة وعظمى أعلى، وتُظهر حساسات الضغط زيادة في الضغط فوق الجوي بالقرب من المصدر ودفعًا قويًا بشكل خاص على مسافات أبعد. تبيّن هذه النتائج معًا أن كلًا من التركيب والهندسة يمكن استخدامهما كمقابض لبرمجة كيفية تسليم الطاقة.

لماذا تهم الانفجارات المبرمجة

للقارئ العام، الرسالة الرئيسية هي أن الانفجارات لا يجب أن تكون أحداثًا فظّة تحدث دفعة واحدة. من خلال لف بلورات متفجرة بأغلفة معدنية تفاعلية وترتيبها بالطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن للمهندسين تنسيق متى وأين يظهر الحرارة والغاز والضغط. يعرض هذا العمل مجموعة أدوات لضبط إطلاق الطاقة عبر مقاييس متعددة، بما قد يدعم دفعًا أكثر كفاءة، وتعدينًا وهدمًا مخصصين، وتحكمًا أفضل في اختبارات مدفوعة بالانفجار، مع تلميح أيضًا إلى مسارات تصنيع أكثر أمانًا للأجهزة المتفجرة القوية.

الاستشهاد: Chen, Y., Ren, H., Xin, H. et al. Programmable multiscale energy release in synergistic energetic composites with three dimensional printed architectures. Nat Commun 17, 4491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71222-4

الكلمات المفتاحية: المواد المتفجرة, الطباعة ثلاثية الأبعاد, المتفجرات, الاحتراق, موجات الصدمة