超快探測與極端高溫高壓方法合成了金屬氮

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所極端環境量子物質中心在合成超高含能材料金屬氮方面取得突破。量子中心科研團隊采用超快探測方法與極端高溫高壓實驗技術，以普通氮氣為原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。相關結果發表在國際期刊《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。

　　含能材料廣義上指蘊含有大量可釋放化學能的一類物質，主要類別包括發射藥、推進劑、炸藥、煙火劑等。綠色高含能材料的合成一直是物理、化學和能源等領域的科研熱點方向，其中全氮材料聚合物被認為是五種常規超高含能材料之一。

　　氮是自然界中含量最豐富的元素之一，氮氣占大氣總量的78%。通常情況下氮氣以無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，氮分子會發生一系列復雜的結構和性質變化，比如分子發生解離進而發生聚合作用形成聚合氮或進一步形成金屬氮，這兩種形態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利用等種種優點，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倍以上。其原子形態“金屬氮”的成功合成，更能夠為“金屬氫”的實現提供重要參考。然而，金屬氮并不容易獲得，需要高達百萬大氣壓(GPa)的極端高壓和幾千度(kK)的高溫條件。

　　基于氮氣合成高含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高壓環境中通過高溫淬火合成的類金剛石空間網狀聚合氮 (cg-N) 和層狀聚合氮 (LP-N)。然而，鑒于傳統的高溫高壓實驗方法和探測手段的局限性，前人的結果僅僅部分地反映了氮在極端條件下的行為，而其由絕緣態的氮分子向金屬氮轉變的壓力-溫度-物性全息相圖并未被實驗研究揭示過。

　　量子中心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生及物性測量的原位綜合實驗系統。利用綜合實驗系統，研究人員獲取了高達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-半導體-金屬轉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 (125 GPa-2500 K以上)，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，不僅能夠對其他形式高能氮材料的合成提供指導，也為未來“金屬氫”的成功合成奠定了重要基礎。

　　該項研究得到中組部千人計劃、國家自然科學基金委員會、科學挑戰專題、合肥研究院項目支持。

實驗中確定的流體聚合氮和金屬氮的合成溫度-壓力相圖

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