合肥研究院合成超高含能材料金属氮

近期，中国科学院合肥物质科学研究院 固体物理研究所极端环境量子物质中心在合成超高含能材料金属氮方面取得突破。 量子中心科研团队 采用超快探测方法与极端高温高压实验技术 ，以普通氮气为原材料成功合成了超高含能材料聚合氮和金属氮，揭示了金属氮合成的极端条件范围、转变机制和光电特征等关键问题，将金属氮的研究向前推进了一大步。相关结果发表在国际期刊 《自然-通讯》 ( Nat. Commun. 9, 2624 (2018) ) 上， 固体所博士姜树清为文章第一作者 。

含能材料广义上指蕴含有大量可释放化学能的一类物质，主要类别包括发射药、推进剂、炸药、烟火剂等。 绿色高含能材料的合成一直是物理、化学和能源等领域的科研热点方向，其中全氮材料聚合物被认为 是五种常规超高含能材料之一。

氮是自然界中含量最丰富的元素之一，氮气占大气总量的 78% 。通常情况下氮气以无色无味的双原子气体分子形式存在，然而在极端高温高压条件下，氮分子会发生一系列复杂的结构和性质变化，比如分子发生解离进而发生聚合作用形成聚合氮或进一步形成金属氮，这两种形态的氮材料都是典型的超高含能材料，是目前常用炸药 TNT 能量密度的十倍以上， 具有含能密度高、绿色无污染和可循环利用等种种优点，如果能作为燃料应用于载人火箭一、 二级推进器，有望将目前火箭起飞重量提升数倍以上。 其原子形态 “ 金属氮 ” 的成功合成，更能够为 “ 金属氢 ” 的实现提供重要参考。 然而， 金属氮并不容易获得， 需要高达百万大气 压 (GPa) 的极端高压和几千度 (kK) 的高温条件 。

基于氮气合成高含能材料的研究由来已久，其中高温高压合成方法被证明是最有效的合成方 法之一，例如前人在百万以上静态高压环境中通过高温淬火合成的类金刚石空间网状聚合氮 ( cg-N ) 和层状聚合氮 ( LP-N ) 。然而，鉴于传统的高温高压实验方法和探测手段的局限性，前人的结果仅仅部分地反映了氮在极端 条件下的行为，而其由绝缘态的氮分子向金属氮转变的压力 - 温度 - 物性全息相图并未被实验研究揭示过。

量子中心科研团队在原有的金刚石对顶砧装置的基础上，引入了脉冲激光加热技术和超快光谱探测方法，建成了集高温高压产生及物性测量的原位综合实验系统。利用综合实验系统，研究人员获取了高达 170 GPa 、 8000 K 高温高压极端条件，并在此条件下原位研究了氮分子在绝缘体 - 半导体 - 金属转变过程中的光学吸收特性和反射特性，确定了氮分子解离的相边界及金属氮合成的极端压力温度条件范围 (125 GPa-2500 K 以上 ) ， 原位光谱分析研究也进一步证实了实验中确实合成了具有半金属性质的聚合氮和具有完美金属特性的 “ 金属氮 ” 。极端高温高压条件下聚合氮和金属氮的合成，不仅能够对其他形式高能氮材料的合成提供指导，也为未来 “金属氢”的成功合成奠定了重要基础。

该项研究得到中组部千人计划、国家自然科学基金委员会、科学挑战专题、合肥研究院项目支持。

实验中确定的流体聚合氮和金属氮的合成温度 - 压力相图