IT之家 10 月 8 日消息，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所王賢龍研究員團(tuán)隊(duì)以第一性原理計(jì)算為理論依據(jù)，采用疊氮化鉀為前驅(qū)體，基于自主研建的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置，成功在常壓下合成了具有類金剛石結(jié)構(gòu)的高含能立方偏轉(zhuǎn)聚合氮，為立方聚合氮的宏量制備提供了一種簡(jiǎn)單高效的方法。相關(guān)成果發(fā)表在 Science Advances 上。
高能量密度材料是一類能夠短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極大能量的物質(zhì)，被廣泛用于礦業(yè)、建筑等領(lǐng)域。由于氮的 N-N 單鍵與氮?dú)夥肿拥?N≡N 三鍵有巨大的能量差，并且其釋放能量之后的產(chǎn)物是氮?dú)?，兼具綠色環(huán)保的特點(diǎn)，所以立方偏轉(zhuǎn)聚合氮（cubic gauche nitrogen, cg-N）是新型高能量密度材料的典型代表之一。
自 2004 年以來，已有眾多高壓下合成 cg-N 的報(bào)道，但沒能將高壓合成的 cg-N 截獲到常壓，且降壓過程的分解機(jī)制尚不明確。
2017 年，有報(bào)道基于等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）方法，采用劇毒和高感度的疊氮化鈉為前驅(qū)體，在常壓下合成出痕量級(jí)的 cg-N，但需要通過碳納米管限域效應(yīng)提升轉(zhuǎn)換率。然而，碳納米管包裹和有效成分少等原因影響了 cg-N 的熱穩(wěn)定性、熱分解和爆轟性質(zhì)的研究。因此，闡明 cg-N 降壓時(shí)的失穩(wěn)機(jī)制和發(fā)展更安全高效并適用于宏量制備的合成方法是當(dāng)前面臨的兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題。
2020 年起，固體所研究團(tuán)隊(duì)就針對(duì)上述兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題開展攻關(guān)研究。采用第一性原理方法，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)模擬了 cg-N 表面在不同飽和狀態(tài)下和不同壓力及溫度下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)降低壓力時(shí) cg-N 的分解機(jī)制是表面失穩(wěn)，提出飽和表面懸掛鍵并轉(zhuǎn)移電荷的方法能將 cg-N 在常壓下穩(wěn)定到 477 ℃（Chin. Phys. Lett. (Express Letter) 40, 086102 (2023)）。
在此基礎(chǔ)上，基于鉀的電負(fù)性比鈉更弱，提出了采用更安全和更便宜的疊氮化鉀來替代疊氮化鈉作為前驅(qū)體來合成 cg-N 的方法。
第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，鉀吸附在增強(qiáng) cg-N 表面穩(wěn)定性上要遠(yuǎn)優(yōu)于鈉吸附?；谧灾餮薪ǖ牡入x子增強(qiáng) CVD 裝置，不借助納米限域效應(yīng)，成功在常壓下合成了 cg-N，樣品可以保存 2 個(gè)月以上。
同步熱分析（TG-DSC）測(cè)量結(jié)果表明 cg-N 具有 488℃的熱分解溫度，與理論預(yù)測(cè)的 477 ℃分解溫度相符合，尖銳的分解放熱峰表明其具有典型的高能量密度材料熱分解行為；激光等離子驅(qū)動(dòng)微爆法測(cè)試表明樣品的爆速有顯著提升。由于不需要高壓或碳納米管束縛且前驅(qū)體更安全和便宜，因而該合成方法具備宏量制備和工程應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
固體所碩士生徐宇軒為該論文第一作者、博士生陳果和碩士生杜飛為共同第一作者，王賢龍研究員為通訊作者。浙江大學(xué)物理學(xué)院林海青院士和固體所曾雉研究員提供了重要指導(dǎo)。北京理工大學(xué)物理學(xué)院劉瑞斌教授進(jìn)行了激光等離子驅(qū)動(dòng)微爆法測(cè)試。其他合作者還包括固體所李明副研究員、吳良飛博士后和丁俊峰研究員。
IT之家附論文鏈接如下：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq5299
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