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近日，北京理工大學物理學院郭偉課題組（博士研究生孫矗麗）與北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室、機電學院張同來課題組在Physical Chemistry Chemical Physics上共同發表了題為《Trends of the Macroscopic Behaviors of Energetic Compounds: Insights from First-Principles Calculations》的研究成果。本工作中，研究人員通過與實驗感度數據結合，采用第一性原理計算系統地研究了一系列過渡金屬高氯酸碳酰肼配合物MCP(M=Mi,Fe, Co, Ni, Zn, Cd)的微觀性質，建立了這些含能配合物的微觀原子、電子性質與宏觀感度之間的聯系，為未來新型含能材料的合成和預估提供了理論參考。
起爆藥是一類能引發猛炸藥穩定爆轟的含能材料。傳統起爆藥通常都含有重金屬元素，如鉛和汞。因此，亟需開發對環境友好的新型起爆藥。含能配合物被廣泛應用于炸藥、推進劑和煙火等。過渡金屬高氯酸碳酰肼配合物是其中具有代表性的一類，對它們的熱分解和感度的評估具有重要的意義。

圖1. (a) CHZ, (b) CHZCP, (c) CdCP 的單分子結構。表1. 實驗上MCP配合物的撞擊和摩擦感度。括號中的值是歐洲標準的撞擊感度。

圖2. 八種分子晶體的晶格焓。表2. 實驗上六種MCP配合物的熱分解溫度。

圖3. 八種分子晶體的體彈模量B0

圖4.八種分子晶體的能帶結構。(a) CHZ. (b) CHZCP.(c) MnCP. (d) FeCP. (e) CoCP. (f) NiCP. (g) ZnCP. (h) CdCP. 當體系有磁性時，黑色代表自旋向上，紅色代表自旋向下。表3. Wiberg鍵級與Mulliken鍵級的結果對比，Metal-O和Metal-N的鍵級都是平均值。鍵解離能（BDE）也被計算，這里的值是解離一個碳酰肼配體的能量值。

基于晶格焓、體彈模量、電子結構和鍵級等微觀特性的研究，通過與實驗數據中感度和熱分解溫度（表1和表2）的對比，研究者發現晶格焓大的配合物有更高的熱分解溫度（圖2），小的體彈模量和pseudo-gap對應著配合物更高的撞擊感度（圖3和圖4）。鍵級和鍵解離能的計算（表3）表明單純的鍵級和鍵解離能并不能夠充分地反應過渡金屬高氯酸碳酰肼含能配合物的撞擊和摩擦感度，而晶體性質和局部的結合特性相結合可能能夠更好地描述它們的感度趨勢。FeCP是一個具有異常高感度的有趣材料，但是除了體彈模量，FeCP并不滿足這些趨勢的變化。通過與相對鈍感的MnCP對比，研究人員發現FeCP對于體積變化所展現出的不穩定自旋態可能解釋FeCP的超高感度。
這個工作著重強調了過渡金屬在改變起爆藥的熱穩定性和感度方面所起的重要作用，讓從微觀原子電子性質理解過渡金屬高氯酸碳酰肼含能配合物的宏觀行為成為可能。該理論分析是對最小鍵級和最易躍遷理論的有益補充，強調了磁性態對這類材料感度的重要影響。
文章鏈接：

Trends of the macroscopic behaviors of energetic compounds: insights from first-principles calculations?pubs.rsc.org

該工作得到了中央高?；究蒲谢?#xff08;2017CX10007）和北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室（YDKT16-17）的支持，也獲得了物理學院姚裕貴教授的幫助和指導。

從第一性原理計算出發來理解含能配合物宏觀行為的趨勢?mp.weixin.qq.com

課題組介紹

Quantum Functional Materials Design and Application Laboratory?www.qfmda.com 創作挑戰賽新人創作獎勵來咯，堅持創作打卡瓜分現金大獎

總結

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