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近日，北京理工大学物理学院郭伟课题组（博士研究生孙矗丽）与北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室、机电学院张同来课题组在Physical Chemistry Chemical Physics上共同发表了题为《Trends of the Macroscopic Behaviors of Energetic Compounds: Insights from First-Principles Calculations》的研究成果。本工作中，研究人员通过与实验感度数据结合，采用第一性原理计算系统地研究了一系列过渡金属高氯酸碳酰肼配合物MCP(M=Mi,Fe, Co, Ni, Zn, Cd)的微观性质，建立了这些含能配合物的微观原子、电子性质与宏观感度之间的联系，为未来新型含能材料的合成和预估提供了理论参考。
起爆药是一类能引发猛炸药稳定爆轰的含能材料。传统起爆药通常都含有重金属元素，如铅和汞。因此，亟需开发对环境友好的新型起爆药。含能配合物被广泛应用于炸药、推进剂和烟火等。过渡金属高氯酸碳酰肼配合物是其中具有代表性的一类，对它们的热分解和感度的评估具有重要的意义。
图1. (a) CHZ, (b) CHZCP, (c) CdCP 的单分子结构。表1. 实验上MCP配合物的撞击和摩擦感度。括号中的值是欧洲标准的撞击感度。
图2. 八种分子晶体的晶格焓。表2. 实验上六种MCP配合物的热分解温度。
图3. 八种分子晶体的体弹模量B0
图4.八种分子晶体的能带结构。(a) CHZ. (b) CHZCP.(c) MnCP. (d) FeCP. (e) CoCP. (f) NiCP. (g) ZnCP. (h) CdCP. 当体系有磁性时，黑色代表自旋向上，红色代表自旋向下。表3. Wiberg键级与Mulliken键级的结果对比，Metal-O和Metal-N的键级都是平均值。键解离能（BDE）也被计算，这里的值是解离一个碳酰肼配体的能量值。
基于晶格焓、体弹模量、电子结构和键级等微观特性的研究，通过与实验数据中感度和热分解温度（表1和表2）的对比，研究者发现晶格焓大的配合物有更高的热分解温度（图2），小的体弹模量和pseudo-gap对应着配合物更高的撞击感度（图3和图4）。键级和键解离能的计算（表3）表明单纯的键级和键解离能并不能够充分地反应过渡金属高氯酸碳酰肼含能配合物的撞击和摩擦感度，而晶体性质和局部的结合特性相结合可能能够更好地描述它们的感度趋势。FeCP是一个具有异常高感度的有趣材料，但是除了体弹模量，FeCP并不满足这些趋势的变化。通过与相对钝感的MnCP对比，研究人员发现FeCP对于体积变化所展现出的不稳定自旋态可能解释FeCP的超高感度。
这个工作着重强调了过渡金属在改变起爆药的热稳定性和感度方面所起的重要作用，让从微观原子电子性质理解过渡金属高氯酸碳酰肼含能配合物的宏观行为成为可能。该理论分析是对最小键级和最易跃迁理论的有益补充，强调了磁性态对这类材料感度的重要影响。
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该工作得到了中央高校基本科研基金（2017CX10007）和北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室（YDKT16-17）的支持，也获得了物理学院姚裕贵教授的帮助和指导。
课题组介绍
Quantum Functional Materials Design and Application Laboratorywww.qfmda.com
