中國科學(xué)家成功合成超高含能材料金屬氮

楊丁淼 汪海月

記者從中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院了解到，該院固體物理研究所采用超快探測方法與極端高溫高壓實驗技術(shù)，將普通氮氣成功合成為超高含能材料聚合氮和金屬氮，揭示了金屬氮合成的極端條件范圍、轉(zhuǎn)變機(jī)制和光電特征等關(guān)鍵問題，將金屬氮的研究向前推進(jìn)了一大步。

該項目由固體物理研究所的極端環(huán)境量子物質(zhì)中心科研團(tuán)隊完成，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》子刊上。

氮材料聚合物是五種常規(guī)超高含能材料之一，蘊含大量可釋放化學(xué)能。在極端高溫高壓條件下，氮分子會發(fā)生一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，從而形成聚合氮和金屬氮，這兩種氮材料都是典型的超高含能材料，是目前常用炸藥TNT能量密度的十倍以上，具有含能密度高、綠色無污染和可循環(huán)利用等優(yōu)點，如果能作為燃料應(yīng)用于載人火箭一、二級推進(jìn)器，有望將目前火箭起飛重量提升數(shù)倍以上。

鑒于傳統(tǒng)的高溫高壓實驗方法和探測手段的局限性，此前的研究僅僅部分地反映了氮在極端條件下的行為，未能全面揭示由絕緣態(tài)的氮分子向金屬氮轉(zhuǎn)變的壓力、溫度和物性的全息相圖。

中科院科研團(tuán)隊在原有的金剛石對頂砧裝置的基礎(chǔ)上，引入了脈沖激光加熱技術(shù)和超快光譜探測方法，建成了集高溫高壓產(chǎn)生及物性測量的原位綜合實驗系統(tǒng)。研究人員獲取了高溫高壓極端條件，并在此條件下原位研究了氮分子在轉(zhuǎn)變過程中的光學(xué)吸收特性和反射特性，確定了氮分子解離的相邊界及金屬氮合成的極端壓力溫度條件范圍，原位光譜分析研究也進(jìn)一步證實了實驗中確實合成了具有半金屬性質(zhì)的聚合氮和具有完美金屬特性的“金屬氮”。