近期，中國科學院合肥物質院固體所王賢龍研究員團隊基于第一性原理計算方法，發現磷摻雜是實現高含能黑磷氮在常壓穩定的有效方法，并系統闡明了N-P偶極子分布、摻雜濃度和均勻度與穩定性的構效關系。相關結果以letter 形式發表在Matter and Radiation at Extremes 上。
以具有類金剛石結構的立方偏轉聚合氮（cg-N，金剛氮）和具有黑磷結構的黑磷氮（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，這是該領域面臨的重要挑戰之一。
該團隊自2020年起研究全氮聚合材料在低壓下的失穩機制和常壓穩定方法，發現表面解離是導致低壓下cg-N失穩的原因，并提出了常壓穩定方案。在此基礎上，團隊成功實現了常壓下cg-N的合成和熱分解表征及爆轟性能測量，進一步開發出目前最簡單和高效的一步合成法, 并申請了發明專利。
近日，研究人員發現BP-N的低壓失穩機制與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穩定至0 GPa，通過N-P偶極子相互作用實現了動力學穩定性。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院院長基金的資助。相關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。
論文鏈接：https://pubs.aip.org/aip/mre/article/10/1/015801/3328937/Realized-stable-BP-N-at-ambient-pressure-by?searchresult=1
圖1. 12.5%P原子摻雜結構，聲子譜和能量。(a) 最低能量的構型和 (b) 動力學不穩定的構型和及其相應的聲子色散關系；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。
