Detektoru izstrāde, lai atklātu nāvējošas sprāgstvielas

Noslēdzošā Valsts aizsardzības koncepcijas izstrādes diskusija [24.09.2015] (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Detektoru izstrāde, lai atklātu nāvējošas sprāgstvielas


Sensora attīstība ir svarīga visā pasaulē drošībai. Uzziniet, kā zinātnieki izstrādā triacetona triperoksīda (TATP) sensorus, kas ir viens no visbiežāk sastopamajiem sprāgstvielām pasaulē.

Pēc teroristu sprādzieniem Briselē šā gada sākumā senators Čaks Šūmers lūdza Amerikas valdības pretterorisma aģentūru paātrināt neseno tehnoloģiju testēšanu, lai atklātu uzbrukumā izmantoto sprāgstvielu.

Bombardēšana, kurā tika nogalināti vismaz 31 cilvēki, izmantoja triacetona triperoksīdu. Sprāgstviela arī bija galvenā Parīzes uzbrukuma sastāvdaļa pagājušajā gadā.

Triacetona triperoksīds (TATP)

Teracistu pēdējās desmitgadēs aizvien vairāk izmanto triacetona triperoksīdu - peroksīdu sprāgstvielu. Tas galvenokārt ir saistīts ar faktu, ka sprāgstvielas izejvielas, ti, acetons, ūdeņraža peroksīds un skābe, ir komerciāli pieejami aptiekās un datortehnikas veikalos. Turklāt triacetona triperoksīda vai TATP īsās sintezēšanas process ir vienkāršs un pieejams internetā.

TATP ir gandrīz tikpat spēcīgs kā TNT, kas ir visbiežāk izmantotais militārais spridzinātājs. Tomēr atšķirībā no TNT TATP ir tik jutīgs pret karstumu, šoku un berzi, ka tam nav militāras izmantošanas. Tā kā TATP ražošanas laikā var eksplodēt, tas rada tik daudz briesmas veidotājam, kā tas notiek mērķa sasniegšanai, izskaidrojot citu sprāgstvielas nosaukumu "Sātana māte".

Interesanti, ka TATP eksplozija ir reta parādība, kas pazīstama kā entropisks sprādziens. Tas nozīmē, ka reakcija parasti nerada karstumu vai liesmu. Tā vietā tā rada lielas tilpuma izmaiņas, ražojot četras gāzes fāzes molekulas no katras TATP molekulas cietā stāvoklī. Tas mums atgādina par reakciju, kas notiek drošības gaisa spilvenu drošības dēļ un kas negadījumos ātri rada lielu daudzumu gāzes.

Flakons, kas satur UAT laboratorijas TATP filtrpapīru. Image pieklājīgi no Phys.

TATP atklāšanas problēmas

Tā kā TATP nesatur nitrogrupas vai metāliskus elementus, tai nav būtiskas absorbcijas ultravioletā zonā un fluorescē. Rezultātā tradicionālās sprāgstvielu noteikšanas metodes, piemēram, spektroskopijas metodes, TATP gadījumā nav veiksmīgas.

Iepriekšējie TATP noteikšanas pētījumi, piemēram, jonu mobilitātes spektrometrija, masu spektrometrija, fluorescences spektroskopija un absorbcijas spektroskopija, nav pietiekami ātri un / vai nevar nodrošināt pietiekamu precizitāti. Šīs metodes parasti prasa dārgu un pārnēsājamu aparatūru un balstās uz plašu paraugu ņemšanu.

TATP tvaiku fāzes detektēšana

Sprāgstvielai tvaika spiediens ir aptuveni 0, 03 torr istabas temperatūrā. Tvaika spiediens, kas ir spiediens, ko rada savienojuma tvaiks termodinamiskā līdzsvara stāvoklī ar tā cieto (vai šķidruma) formu, norāda uz savienojuma sublimācijas (iztvaikošanas) ātrumu.

Tātad, ņemot vērā augstu tvaika spiedienu, TATP var viegli sublimēt istabas temperatūrā. Tas padara sprāgstvielu uzglabāšanu sarežģītu un bīstamu. Tomēr pētnieki ir izmantojuši šo funkciju TATP tvaika fāzes noteikšanai.

Pētījumi, ko 2009.gadā publicēja ķīmisko inženieru grupa, izmanto sensoru klāstu, kur katrs masīva elements ir lauka efekts, piemēram, tranzistors. Katras šīs ierīces vārti tiek aizstāti ar receptoru molekulu monolīci. Ja tiek pakļauta TATP tvaika iedarbībai, ierīce, kas iet cauri, atšķiras. Tomēr paziņoja, ka šīs shēmas noteikšanas robeža ir aptuveni 100ppb (daļas uz miljardu).

GaAs balstītas ierīces shēma un die, kurā ir 20 ierīces. Image pieklājīgi no ScienceDirect.

2010. gadā pētījumā, kas tika veikts Illinoisas universitātē Urbana-Šampeinā, tika izmantota kolorimetriskā sensoru klāsts, lai noteiktu TATP tvaiku ar noteikšanas robežas zem 2ppb.

Kolorimetriskais sensors ir balstīts uz gāzu sensitīvu materiālu, kura izmaina krāsu, jo tā ir pakļauta mērķa gāzei. Šie sensori spēj noteikt tādas gāzes kā oglekļa monoksīds, amonjaks, slāpekļa dioksīds un etilēns.

Ilinoisas Universitātes pētnieki iepriekš apstrādāja TATP tvaiku plūsmu ar stabilu skābes katalizatoru Amberlyst-15 un pakļāva sensora masai skābes sadalīšanās produktu. Atkarībā no TATP tvaiku koncentrācijas eksperiments noveda pie dažādām krāsu kartēm, kā parādīts nākamajā attēlā.

Krāsu atšķirību kartes dažādām TATP tvaiku koncentrācijām. Image pieklājīgi no JACS.

Izmantojot šos modeļus, ir iespējams noteikt dažādas TATP tvaiku koncentrācijas. Saskaņā ar pētījumu, atbilstošās katalizatora skābes izvēlei ir būtiska nozīme minimālajā koncentrācijā, ko var noteikt. Diemžēl šī metode ir balstīta uz vienreizēju izmantošanu, un to nevar izmantot nepārtraukta reāllaika noteikšanas laikā.

Atklāšanas metode, kuru izstrādā URI

Rhode Islandes universitātes ķīmijas inženierijas pētījumu grupa pārbaudīja kompleksās tvaikus, kas iegūti no TATP sublimācijas. Viņi izstrādāja sensoru, kas ir jutīgs pret TATP un tā organisko blakusproduktu peroksīda saitēm.

Pētījums noveda pie termodinamiskā gāzes sensora, kas varētu atklāt TATP ar augstu selektivitāti un augstu jutību. Sensors mēra katalizatora absorbēto vai ģenerēto siltumu TATP un tā sadalīšanās produktu klātbūtnē. Dažādu katalizatoru masīvs tika izmantots, lai veiktu reāllaika noteikšanu ar minimālu nepatiesu trauksmju skaitu.

Pirms Briseles uzbrukumiem tehnoloģija tika pārbaudīta, atrodoties Atlantijas okeāna, Ņūdžersijas un Savannah, Gruzijā. Tomēr pēc uzbrukuma Schumers teica, ka detektori var ietaupīt neskaitāmas dzīvības un ka testēšana jāveic pēc iespējas ātrāk, nekļūdīdami brīdi.

2008. gadā ASV Iekšzemes drošības departaments sāka finansēt universitātes darbu, izmantojot sprāgstvielu izpētes centru.

Schumers piebilda, ka laboratorijas eksperimenti parādīja, ka detektors var nepārtraukti kontrolēt gaisu un izsmidzināt ļoti mazu sprāgstvielas daudzumu. Pēc Schumer domām, ir jāpārbauda tikai reālās dzīves un in situ sistēmas darbība.

Otto Gregorijs, Rhodeļinas Universitāte, ķīmiskās tehnoloģijas profesors tehnoloģijā, atzīmēja, ka ar pētniecību saistīto šķēršļu novēršana un tehnoloģiju valdības prioritātes noteikšana ļautu paātrināt testēšanu vairākus mēnešus. Viņš piebilda, ka detektors var konkurēt ar policijas bumbas sniffing suni un, atšķirībā no suns, tai nav nepieciešama apmācība vai pārtraukumi!

Viņš gaidīja, ka pirmais prototips izmaksās apmēram 1000 līdz 2000 ASV dolāru, bet lēsts, ka viņa gala ierīce būtu vairāku simtu dolāru portatīvais izstrādājums.

Profesors Otto Gregorijs, kam ir silīcija plate, kurā ir sensori TATP noteikšanai. Image pieklājīgi no Phys.

Bruņošanās uzbrukumi atkal piesaistīja uzmanību tam, cik bīstama ir TATP. Tā mums arī atgādināja, ka ārkārtīgi svarīga ir ātra, jutīga un droša sprāgstvielas atklāšana.