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近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所極端環(huán)境量子物質(zhì)中心在合成超高含能材料金屬氮方面取得突破。量子中心科研團(tuán)隊(duì)采用超快探測(cè)方法與極端高溫高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以普通氮?dú)鉃樵�材料成功合成了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。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國際期刊《自然-通訊》(Nat. Commun. 9, 2624 (2018))上，固體所博士姜樹清為文章第一作者。

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https://www.nature.com/articles/s41467-018-05011-z

含能材料廣義上指蘊(yùn)含有大量可釋放化學(xué)能的一類物質(zhì)，主要類別包括發(fā)射藥、推進(jìn)劑、炸藥、煙火劑等。綠色高含能材料的合成一直是物理、化學(xué)和能源等領(lǐng)域的科研熱點(diǎn)方向，其中全氮材料聚合物被認(rèn)為是五種常規(guī)超高含能材料之一。

氮是自然界中含量最豐富的元素之一，氮?dú)庹即髿饪偭康?8%。通常情況下氮?dú)庖詿o色無味的雙原子氣體分子形式存在，然而在極端高溫高壓條件下，氮分子會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，比如分子發(fā)生解離進(jìn)而發(fā)生聚合作用形成聚合氮或進(jìn)一步形成金屬氮，這兩種形態(tài)的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)利用等種種優(yōu)點(diǎn)，如果能作為燃料應(yīng)用于載人火箭一、二級(jí)推進(jìn)器，有望將目前火箭起飛重量提升數(shù)倍以上。其原子形態(tài)“金屬氮”的成功合成，更能夠?yàn)椤敖饘贇洹钡膶?shí)現(xiàn)提供重要參考。然而，金屬氮并不容易獲得，需要高達(dá)百萬大氣壓(GPa)的極端高壓和幾千度(kK)的高溫條件。

基于氮?dú)夂铣筛吆�能材料的研究由來已久，其中高溫高壓合成方法被證明是最有效的合成方法之一，例如前人在百萬以上靜態(tài)高壓環(huán)境中通過高溫淬火合成的類金剛石空間網(wǎng)狀聚合氮 (cg-N) 和層狀聚合氮 (LP-N)。然而，鑒于傳統(tǒng)的高溫高壓實(shí)驗(yàn)方法和探測(cè)手段的局限性，前人的結(jié)果僅僅部分地反映了氮在極端條件下的行為，而其由絕緣態(tài)的氮分子向金屬氮轉(zhuǎn)變的壓力-溫度-物性全息相圖并未被實(shí)驗(yàn)研究揭示過。

量子中心科研團(tuán)隊(duì)在原有的金剛石對(duì)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(cè)方法，建成了集高溫高壓產(chǎn)生及物性測(cè)量的原位綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究人員獲取了高達(dá)170 GPa、8000 K高溫高壓極端條件，并在此條件下原位研究了氮分子在絕緣體-半導(dǎo)體-金屬轉(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 (125 GPa-2500 K以上)，原位光譜分析研究也進(jìn)一步證實(shí)了實(shí)驗(yàn)中確實(shí)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”。極端高溫高壓條件下聚合氮和金屬氮的合成，不僅能夠?qū)ζ渌�形式高能氮材料的合成提供指�?dǎo)，也為未來“金屬氫”的成功合成奠定了重要基礎(chǔ)。

該項(xiàng)研究得到中組部千人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)挑戰(zhàn)專題、合肥研究院項(xiàng)目支持。

實(shí)驗(yàn)中確定的流體聚合氮和金屬氮的合成溫度-壓力相圖 

來源：材料科學(xué)與工程