近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所計算物理與量子材料研究部在含能材料的常壓表面穩(wěn)定性研究方面取得新進展。研究人員利用第一性原理和分子動力學(xué)方法首次系統(tǒng)地研究了高能密度材料立方聚合氮（cg-N）的低指數(shù)表面在不同表面飽和狀態(tài)和不同壓力及溫度下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)了cg-N低壓下的失穩(wěn)機制，提出了一種能夠使其在常壓下穩(wěn)定的方法。相關(guān)結(jié)果以 “Route to Stabilize Cubic Gauche Polynitrogen to Ambient Conditions via Surface Saturation by Hydrogen ”為題以Express Letter的形式發(fā)表在Chinese Physics Letters (Chin. Phys. Lett. 40, 086102 (2023))上。      具有氮氮單鍵或氮氮雙鍵的聚合氮和含氮化合物作為高能密度材料具有廣闊的應(yīng)用前景，其中高壓合成是獲得該類材料的有效方法。理論預(yù)測的多種能在常壓下穩(wěn)定的純氮聚合氮，一些已被成功地在高壓下合成。cg-N是純氮聚合氮中最典型的一種，具有最小的合成壓力，且0 GPa下的聲子譜中沒有虛率。然而，高壓下合成的cg-N隨著壓力的降低將逐漸分解，同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在其它純氮聚合氮材料中。目前高壓下合成的純氮聚合材料均不能被截獲至常壓環(huán)境，這阻礙了它們作為高能密度材料的應(yīng)用。因此，研究低壓下cg-N的分解機理并尋找其常壓環(huán)境下穩(wěn)定的方法具有重要意義。

鑒于此，研究人員首先探究了cg-N失穩(wěn)的原因，發(fā)現(xiàn)常壓下cg-N低指數(shù)表面在300 K的溫度時發(fā)生了結(jié)構(gòu)坍塌，說明表面失穩(wěn)將導(dǎo)致其在低壓下分解。進一步研究表明，常壓下氫吸附能夠?qū)g-N的表面穩(wěn)定到750 K以上（圖1），但羥基吸附不能增加表面的穩(wěn)定性。這是由于氫不但飽和了懸掛鍵，而且向氮表面轉(zhuǎn)移了電子，但羥基卻從氮表面獲得電子（圖2）。該工作為截獲高壓合成的聚合氮提供了一種新思路，表明酸性環(huán)境和電負性弱的材料有利于提高cg-N和其它含氮聚合物的穩(wěn)定性，對推動聚合氮的常壓合成和實際應(yīng)用具有重要意義，同時也為截獲其它功能材料的高壓相提供了有效指導(dǎo)。

固體所博士生陳果和牛草萍為論文的共同第一作者，王賢龍研究員為通訊作者，研究得到了合肥物質(zhì)科學(xué)研究院院長基金等項目的資助。

全文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/8/086102

圖1. (a) 氫飽和表面在結(jié)構(gòu)坍塌前（藍線）后（紅線）溫度下的分子動力學(xué)均方位移；(b) 純凈表面和氫飽和表面在結(jié)構(gòu)弛豫和有限溫度下（最高達1000 K）的分子動力學(xué)模擬中的穩(wěn)定性，雷達圖不同的環(huán)表示不同的不穩(wěn)定性，更外側(cè)的環(huán)是更穩(wěn)定的，r-(110c) 表示具有表面重構(gòu)的110c表面。

圖2. (a)和(b)分別展示了氫吸附的111a表面和羥基吸附的111a表面的電荷密度差。圖中的曲線沿晶體結(jié)構(gòu)（如插圖所示）的 z 方向繪制，紅線所示的局部積分曲線表示獲得（正值）和失去（負值）電子，藍線所示的積分曲線是紅線的積分。