氮的第一性原理研究（一）

氮的第一性原理研究（一）

      氮元素在自然界中普遍存在，按体积计，氮气约占地球大气的 78%。氮的化合物也普遍存在于地球的大气和地壳中。研究

氮的特性，有助于人类认识自身所处环境。在常温常压下氮分子 N2 最稳定，其单配位三键能为 954 kJ/mol 。由于三键和单键
之间的巨大差异，所以聚合氮的研究是含能材料研究领域的热门话题。
 

      迄今，实验方面所观测到氮的相图在压强 0- 300 GPa ，温度 0- 6000 K 范围可分为固态分子、液态分子与聚合物相区。人

们在金刚石对顶砧（DAC）实验中第一 次观测到的一种黑色不透明的非晶体无定形聚合氮形式 。最近的理论模拟也揭示无定形
η 氮主要是由 N- N 单键，N=N 双键构成的不规则网链状空间结构，中间有少量分子。2004 年 Eremets 等人利用激光加热 DAC
装置，在压强为 115 GPa 和温度高于 2000 K的情况下，观察到一种透明的新结构 - cg 氮。随后在 2014 年，国外 DAC 实验发
现在 2000 K 以上温度,在 130- 180 GPa压 力 区 间 人 们 观 测 到 了 另 一 种 聚 合 氮 ， 即 层 状（layeredpolymeric nitrogen ：
LP- N）聚合氮 的 pba2 结构[7]，验证了马彦明课题组对 Pba2 结构的预测。2019 年人们在 250 GPa 压力以及超过 2000 K 的
条件下观测到聚合氮的另一种层状结构P42bc 的聚合氮晶体[8]。此外，在 2020 年，在 150 GPa 和 2200 K的极端条件下，毛何
光院士团队首次发现了一种具有褶皱蜂窝层状结构的聚合氮(褶层聚合氮)，即 BP- N，该发现为高能量密度聚合氮的近一步发展
奠定了基础。由于小分子在高密度和高温下会出现一些特殊的物理现象：例如，分子间强烈的排斥力、分子的转动、振动、离解、
电子激发和电离。则本工作将采用密度泛函分子动力学模拟方法，在1000 K 温度下获得 1.50 g/cm3 - 5.20 g/cm3 密度的数据，
探索1000 K 温度下氮的结构变化的变化规律，获得结构相变规律。计算结果表明，在 1000 K 温度下在 120 GPa 左右观察到分
子向非分子聚合物的转变，结合物态方程、径向分布函数图像以及体系离解度的变化可以得出在高压区非分子的转化有两条路

径，提供了聚合氮结构的温和条件截获提供新途径。




9. 净重：约11Kg