【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所王賢龍研究員團隊基于第一性原理計算方法，發(fā)現(xiàn)磷摻雜是實現(xiàn)高含能黑磷氮在常壓穩(wěn)定的有效方法，并系統(tǒng)闡明了N-P偶極子分布、摻雜濃度和均勻度與穩(wěn)定性的構(gòu)效關(guān)系。相關(guān)結(jié)果以letter 形式發(fā)表在Matter and Radiation at Extremes (Matter Radiat. Extrem. 10, 015801 (2025))上。
 

　　以具有類金剛石結(jié)構(gòu)的立方偏轉(zhuǎn)聚合氮(cg-N，金剛氮)和具有黑磷結(jié)構(gòu)的黑磷氮(BP-N)為代表的全氮聚合材料是一類完全由氮氮單鍵構(gòu)成的高能量密度材料，但是高壓條件下合成的樣品在常壓下不能保存，這是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)之一。
 

　　團隊自2020年起研究全氮聚合材料在低壓下的失穩(wěn)機制和常壓穩(wěn)定方法，發(fā)現(xiàn)表面解離是導致低壓下cg-N失穩(wěn)的原因，并提出了常壓穩(wěn)定方案(Chinese Phys. Lett. 40, 086102 (2023))。在此基礎(chǔ)上，團隊成功實現(xiàn)了常壓下cg-N的合成和熱分解表征及爆轟性能測量(Sci. Adv. 10, eadq5299 (2024))，進一步開發(fā)出目前最簡單和高效的一步合成法(Chinese Phys. B. 33, 126802 (2024)), 并申請了發(fā)明專利。
 

　　近日，研究人員發(fā)現(xiàn)BP-N的低壓失穩(wěn)機制與cg-N不同，BP-N體相會分解成氮鏈。而P原子摻雜可以抑制BP-N的體相分解，并將BP-N穩(wěn)定至0 GPa，通過N-P偶極子相互作用實現(xiàn)了動力學穩(wěn)定性。此外，研究人員計算了BP-N的最佳摻雜濃度和爆轟性能。該研究結(jié)果將為推動BP-N的常壓合成和宏量制備提供重要參考。
 

　　固體物理所博士生陳果為該文章的第一作者，王賢龍研究員為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和合肥物質(zhì)院院長基金的資助。相關(guān)計算工作主要在中國科學院超級計算合肥分中心和合肥先算中心上進行。
 

　　圖1. 12.5% P原子摻雜結(jié)構(gòu)，聲子譜和能量。(a) 最低能量的構(gòu)型和 (b) 動力學不穩(wěn)定的構(gòu)型和及其相應(yīng)的聲子色散關(guān)系；黑色箭頭指示了聲子譜Z點虛頻振動的方向。用橙色波浪線連接的帶正負電荷的原子間形成N-P偶極矩。(c) 能量隨層間P-P距離變化的關(guān)系圖。

 

　　圖2. 12.5%和25% P原子摻雜BP-N的密度ρ、能量密度Ed、體積能量密度Ev、爆速Vd和爆壓Pd。