高压—激光照射条件下富氮高能材料的合成

We request funding to study novel pathways of synthesizing high-energy-density-materials (HEDM) at moderate pressures by irradiating the precursor materials with very high power ultrashort laser pulses. This work is augmented by development of the research capabilities and research-related education activities in our Center for Energy Matter in Extreme Environments (CEMEE) at the Institute of Solid State Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei. We propose to utilize a ca 40 fs OPA variable wavelength laser source to systematically investigate the reaction products of various statically precompressed nitrogen-rich precursor materials, such as, for example, group-I metallic azides. We will also investigate combined effects of mechanochemistry and photochemistry on molecular mixtures such as, for example, N2 and H2. Samples will be pre-compressed statically to a desired pressure (1 to 50 GPa) using diamond anvil cells (DAC) with variable culet sizes. The sample diagnostics will include optical transmission, reflection, and emission spectroscopy, vibrational Raman and infrared (IR) spectroscopy, and synchrotron X-ray diffraction. The (meta)stability of the reaction products will be examined in unloading experiments to ambient pressure at low temperatures and subsequent warming up to ambient temperature. Apart of discovering new prospective classes of HEDMs, the proposed research will result in understanding of the reaction photochemistry at extreme conditions, which is imperative for creating novel pathways for practical synthesis of green, kinetically stable HEDMs. This work will also provide crucial information for benchmarking theoretical first-principles molecular dynamics calculations.

以富氮化合物为原材料，在一定压力下利用高能极短激光脉冲加以照射，我们有希望找到一种合成高能量密度材料的新方法。随着我们位于中科院固体所实验室硬件设施的完善，人才队伍的壮大和科研能力的提高，这种预想得以顺利开展。一方面，我们选用多种典型富氮化合物为原材料（比如I族金属叠氮化合物），利用40 fs OPA 可变波长激光作为光源进行照射，同步测量反应产物；另一方面，我们也选用简单分子混合物为原材料（例如N2和H2等），利用压力和光催化的共同作用来进行合成。实验过程中，我们利用光谱吸收、反射和发射光谱、拉曼、红外以及同步辐射XRD光谱对反应进程和生成物进行原位实时监测鉴定。针对生成物的金属性，我们首先在低温条件下卸压至常压，然后逐步升温至室温来检验其是否能够保存至常温常压条件。除了合成新型高能材料，本项目旨在寻找一种合成绿色，稳定高含能类材料的有效方法。

无污染的高含能材料的探索极其重要，其中，氮在一定条件下可以形成三键、双键、单键等不同结构，具有释放能量高、无污染等特征，因而，富氮材料具有很大的应用前景。特别是高压高温的应用有助于调控化学键和结构，合成出具有独特性质的氮材料。另外，高温高压下致密分子氮的相变过程和氢具有一定的类似性，高压氮研究有助于推动氢相图的深入认识，获得流体金属氢，解决具有物理学圣杯意义的金属氢问题。依据项目计划，我们发展完善了激光加热及快速光谱实验方法，基于这些技术开展了一系列研究，获得了丰硕的成果。其中，代表性工作如下：（1）我们观察到高温高压引起氮从分子绝缘态到致密流体导体的转变，确立了其在125 GPa和2500 K条件下的金属化行为。（2）探索了cg-N和LP-N等聚合氮的高温高压（P>150 GPa, T>2500 K）下合成及卸压过程中的稳定性等，发现cg-N可稳定保持至71 GPa，证实了其大范围的亚稳态。（3）通过微秒脉宽激光对金刚石对顶砧预压的氢氘混合物进行加热，并结合宽带超连续光谱，发现150 GPa、3000 K以上温压条件下出现类金属的反射率变化，并进一步揭示了金属化之前的半导体中间相。（4）在1.2 GPa和298 K温度下，通过纯氢与纯水合成了分子式为（H2O）·6H2的新型笼型水化物，揭示出其空间对称性满足三角R3c或R-3c空间群，与所有已发现的有序冰结构均不同。项目获得的成果已经分别发表在Physical Review Letters, PNAS, Nature Communications, Advanced Sciences等顶级期刊上，这些工作对高温高压下氮、氢等相图及新结构、不同形态氮结构之间转换动力学等提供了新的认识，开辟了富氮、富氢等材料合成与表征的新途径，对高温高压下富氮高含能材料的低压稳定性及应用具有重要的指导意义。另外，该项目的执行还培养了优秀青年科学家，大大提升了项目依托单位在高压科学领域的学术水平和声望。