中國科學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，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)變機制和光電特征等關鍵問題，將金屬氮的研究向前推進了一大步。

該項目由固體物理研究所的極端環(huán)境量子物質(zhì)中心科研團隊完成，相關研究成果發(fā)表在國際權威學術期刊《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能。在極端高溫高壓條件下，氮分子會發(fā)生一系列復雜的結(jié)構和性質(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，如果能作為燃料應用于載人火箭一、二級推進器，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。

中科院科研團隊在原有的金剛石對頂砧裝置的基礎上，引入了脈沖激光加熱技術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”。