【48812】理论猜测：一种或许在常温常压下存在的“聚合氮”结构

  《科学通报》是首要报导自然科学各学科基础理论和应用研讨方面具有立异性、高水平和重要意义的研讨成果。报导及时快速，文章可读性强，力求在比较广泛的学术范畴发生深刻影响。

  在必定压强规模内，该结构是现在发现的聚合氮结构中最安稳的一种。并且分子动力学模仿标明，在高压下组成的Cm聚合氮或许能够被保存到常温常压条件下。

  聚合氮是氮原子在高温度高压力条件下以单键或双键衔接而成的全氮资料。当其彻底分解成N2时，所放出的能量高于任何其他已知的非核爆破反响，因而，聚合氮资料被认为是新一代高能量密度含能资料的候选者之一。

  在这篇文章中，作者选用依据密度泛函理论(DFT)总能量核算的晶体结构查找办法，在30 GPa下发现了一种安稳的聚合氮结构，其空间群为Cm。分子动力学模仿标明，在卸压到近惯例压强条件时，该结构仍保持安稳，具有被截获存下来的或许性。

  l 氮链包括3种不等价原子(下图中N1、N2、N3)，呈“W”型链。其间氮氮键长约为1.28 Å，大于氮氮双键键长，但小于氮氮单键键长。

  l 类连五唑是由两个氮五环构成的环形N11结构，包括4种不等价原子(N4、N5、N6和N7)，其间N5、N6和N7构成一个氮五环，键长规模为1.31~1.33 Å，与N–N单键适当;N4作为中心氮原子，与两个氮五环经过单键共价键合。

  值得指出的是，传统的连五唑是环形的N10结构，安稳性较差，而N11结构的类连五唑因为“W”型链的存在，结构安稳性进步。

  为了确认该结构的安稳区间，作者核算了T=0 K时0~60 GPa压强规模内不同聚合氮结构的焓值与压强的函数联系。成果显现，Cm聚合氮在10~35 GPa压强规模内焓值最低。

  文章选用微扰密度泛函办法，核算了在T=0 K，p=30 GPa下Cm结构的声子色散曲线，以判别该结构的动力学安稳。

  研讨者结构了一个2×2×2的超胞(160个原子)，进行依据密度泛函理论的分子动力学模仿，查看核验结构在常温文不同压强下的热力学安稳性。这些依据成果得出，Cm结构在室温文环境压强下是亚稳态，有望在低压条件被截获和保存下来。

  为了研讨结构的机械安稳性和力学性能，作者选用应力-应变办法核算了Cm聚合氮的力学常数，并使用Voigt-ReussHill近似进一步估量了结构的体积模量和剪切模量。成果显现，单斜Cm结构具有力学安稳性，表现为耐性行为。

  为了研讨Cm聚合氮的电子结构和成键特征，作者在30 GPa下对Cm结构能够进行了依据PBE泛函的能带结构、分波电荷密度(PDOS)和电子局域密度函数(ELF)核算，费米能级处理为E=0.0 eV。能带结构依据成果得出，该聚合相具有金属性质。经过电子态密度不难发现，费米能带邻近的金属电子态首要由氮链的px和pz轨迹奉献。两条能带穿过费米面导致多个费米“点”。

  Cm结构在30 GPa时的电子结构性质。(a) 能带结构; 氮链(b)和类连五唑(c)的分波态密度图

  这些发现丰厚了聚合氮的低压相，为试验组成该结构供给了理论基础。可是，关于电子结构和成键性质对结构安稳机制的效果，还有待进一步研讨。