Nano-thermite

Nano-thermite or super-thermite is a metastable intermolecular composite (MIC) characterized by a particle size of its main constituents, a metal fuel and oxidizer, under 100 nanometers. This allows for high and customizable reaction rates. Nano-thermites contain an oxidizer and a reducing agent, which are intimately mixed on the nanometer scale. MICs, including nano-thermitic materials, are a type of reactive materials investigated for military use, as well as for general applications involving propellants, explosives, and pyrotechnics.

What distinguishes MICs from traditional thermites is that the oxidizer and a reducing agent, normally iron oxide and aluminium, are in the form of extremely fine powders (nanoparticles). This dramatically increases the reactivity relative to micrometre-sized powder thermite. As the mass transport mechanisms that slow down the burning rates of traditional thermites are not so important at these scales, the reaction proceeds much more quickly.

Historically, pyrotechnic or explosive applications for traditional thermites have been limited due to their relatively slow energy release rates. Because nanothermites are created from reactant particles with proximities approaching the atomic scale, energy release rates are far greater.^[1]

MICs or super-thermites are generally developed for military use, propellants, explosives, incendiary devices and pyrotechnics. Research into military applications of nano-sized materials began in the early 1990s.^[2] Because of their highly increased reaction rate, nano-thermitic materials are being studied by the U.S. military with the aim of developing new types of bombs several times more powerful than conventional explosives.^[3] Nanoenergetic materials can store more energy than conventional energetic materials and can be used in innovative ways to tailor the release of this energy. Thermobaric weapons are one potential application of nanoenergetic materials.^[4]

There are many possible thermodynamically stable fuel-oxidizer combinations. Some of them are:

• Aluminium-molybdenum(VI) oxide
• Aluminium-copper(II) oxide
• Aluminium-iron(II,III) oxide
• Antimony-potassium permanganate
• Aluminium-potassium permanganate
• Óxido de aluminio- bismuto(III)
• Hidrato de óxido de aluminio- tungsteno(VI)
• Fluoropolímero de aluminio (típicamente Viton )
• Titanio - boro (se quema formando diboruro de titanio , que pertenece a una clase de compuestos llamados compuestos intermetálicos).

En la investigación militar, el óxido de aluminio-molibdeno , el aluminio- teflón y el óxido de aluminio-cobre(II) han recibido considerable atención. ^{[ 2 ]} Otras composiciones probadas se basaron en RDX de tamaño nanométrico y con elastómeros termoplásticos . El PTFE u otro fluoropolímero puede usarse como aglutinante para la composición. Su reacción con el aluminio, similar a la termita de magnesio/teflón/viton , agrega energía a la reacción. ^{[ 5 ]} De las composiciones enumeradas, la que contiene permanganato de potasio tiene la mayor tasa de presurización . ^{[ 6 ]}

El método más común para preparar materiales nanoenergéticos es mediante ultrasonidos en cantidades inferiores a 2 g. Se han realizado investigaciones para aumentar la escala de producción. Debido a la alta sensibilidad a las descargas electrostáticas (ESD) de estos materiales, actualmente lo habitual son cantidades inferiores a 1 gramo.

El nanoaluminio, o aluminio de grano ultrafino (UFG), es un componente clave de la mayoría de los materiales nanotermíticos. Un método para producir este material es la condensación dinámica en fase gaseosa, desarrollada por Wayne Danen y Steve Son en el Laboratorio Nacional de Los Alamos . Una variante de este método se utiliza en la División Indian Head del Centro de Guerra de Superficie Naval . Otro método de producción es la síntesis electrotérmica, desarrollada por NovaCentrix, que utiliza un arco de plasma pulsado para vaporizar el aluminio. Los polvos obtenidos mediante la condensación dinámica en fase gaseosa y la síntesis electrotérmica son indistinguibles. ^{[ 7 ]} Un aspecto crítico de la producción es la capacidad de producir partículas de tamaños en el rango de decenas de nanómetros, así como con una distribución limitada de tamaños de partícula. En 2002, la producción de nanopartículas de aluminio requería un esfuerzo considerable y las fuentes comerciales del material eran limitadas. ^{[ 2 ]}

Una aplicación del método sol-gel , desarrollado por Randall Simpson, Alexander Gash y otros en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , puede utilizarse para fabricar mezclas de materiales energéticos compuestos nanoestructurados. Dependiendo del proceso, se pueden producir MIC de diferente densidad. Mediante extracción supercrítica se pueden obtener productos altamente porosos y uniformes. ^{[ 2 ]}

Los tipos de producción más comunes son en líquidos o mediante mezcla acústica resonante. Sin embargo, también se utilizan métodos más complejos como los mencionados anteriormente. ^{[ 8 ]}

Como ocurre con todos los explosivos, la investigación sobre el control y la simplicidad ha sido un objetivo de la investigación sobre explosivos a nanoescala. ^{[ 2 ]} Algunos pueden encenderse con pulsos láser . ^{[ 2 ]}

Se han investigado los MIC como posible sustituto del plomo (por ejemplo, estifnato de plomo , azida de plomo ) en cápsulas fulminantes y cerillas eléctricas . Se suelen utilizar composiciones basadas en Al-Bi₂O₃ _{. Opcionalmente} , se puede añadir PETN . ^{[ 9 ]}

Se puede añadir polvo de aluminio a los nanoexplosivos . El aluminio tiene una velocidad de combustión relativamente baja y una entalpía de combustión alta . ^{[ 10 ]}

Los productos de una reacción termita, resultantes de la ignición de la mezcla nanotermítica, suelen ser óxidos metálicos y metales elementales. A las temperaturas que prevalecen durante la reacción, los productos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, dependiendo de los componentes de la mezcla. ^{[ 11 ]}

Al igual que la termita convencional, la supertermita reacciona a temperaturas muy elevadas y es difícil de extinguir. La reacción produce luz ultravioleta (UV) peligrosa, por lo que es necesario evitar observarla directamente o usar protección ocular especial (por ejemplo, una máscara de soldador).

Además, las supertermitas son muy sensibles a las descargas electrostáticas (ESD). Recubrir las partículas de óxido metálico con nanofibras de carbono puede hacer que las nanotermitas sean más seguras de manipular. ^{[ 12 ]}

• Termato
• composición pirotécnica

• Synthesis and Reactivity of a Super-Reactive Metastable Intermolecular Composite Formulation of Al/KMnO4
• Metastable Intermolecular Composites for Small Caliber Cartridges and Cartridge Actuated Devices
• Performance of Nanocomposite Energetic Materials Al-MoO3
• John J. Granier (May 2005). Combustion Characteristics of Al Nanoparticles and Nanocomposite Al+MoO₃ Thermites(PDF) (PhD thesis). Texas Tech University. Archived from the original(PDF) on September 8, 2008. Retrieved May 3, 2009.