高能材料新突破 中科院成功合成金属氮

据《科技日报》7月9日报道，中科院中科院合肥物质科学研究院获悉，该院固体物理研究所亚历山大·冈察洛夫团队的科研人员成功合成了超高含能材料聚合氮和“金属氮”，这两种材料的能量密度为TNT的10倍多。

研究揭示了“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。中国高能材料研究在迈向“N2爆弹”和“金属氢”的道路上又进一步。相关结果日前发表在《自然》子刊上。

高能材料新突破 中科院成功合成金属氮

新型超高能含能材料是国家核心军事能力和军事技术制高点的重要标志。而氮类物质具有高密度、超高能量及爆轰产物清洁无污染等优点，成为新一代超高能含能材料的典型代表。2017年初，前南理工胡炳成团队合成了能量密度为TNT的3倍的全氮阴离子盐。冈察洛夫团队的研究方向则指向了极端高温高压条件下形成的聚合氮和“金属氮”。

亚历山大·冈察洛夫特聘研究员，美籍俄裔，1956年11月29日出生，1983年俄罗斯科学院光谱学研究所物理专业博士毕业，2012年入选中共中央组织部“外国专家千人计划”。2015年获中国政府“友谊奖”，图为时任国务院副总理马凯向冈察洛夫颁奖

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，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。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的高温条件。

科技日报报道称，科研人员以普通氮气为原材料，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170GPa、8000K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，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”。

冈察洛夫团队的该成果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。因为合成“金属氢”所需要的极端高温高压条件与合成“金属氮”是类似的。

“金属氢”因为其理论上拥有的高能量密度(TNT炸药的50倍)和高温超导性能(可能在-113.15℃甚至16.85℃实现超导)，被誉为“高能物理学的圣杯”，固体物理研究所距离“圣杯”又近了一些。

2017年1月份，美国哈佛大学研究团队曾经声称利用金刚石对顶砧装置在495GPa的高压下成功制成了世界上第一块“金属氢”，但学界多人(包括冈察洛夫研究员)就此提出质疑，认为以单纯依靠金刚石对顶砧无法达到如此高的压力，所谓“金属氢”确实存在的证据也不足。然而在当年的2月，哈佛大学团队宣布“金属氢”样本因为金刚石容器损坏而消失。“世上首块金属氢”是否真正存在过成为了谜团，“高压物理学圣杯”仍有待后来者去寻觅。

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