近年研究发现，氮气中引入金属元素后，可形成丰富多样的聚合氮结构。如何设计出氮含量高、合成压强低的新型富氮化合物是物理、化学和材料等多学科领域的研究热点之一。
日前，吉林大学物理学院计算方法与软件国际中心李全教授在“高压下新型富氮化合物”研究中获得新进展。相关研究成果以“Stabilized Nitrogen Framework Anions in the Ga–N System”为题，于近日发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
美国化学会成立于1876年，是世界最大的科技协会和世界权威科学信息来源之一，始终致力于为全球化学研究机构、企业及个人提供高品质的文献资讯及服务。作为美国化学会创办的众多期刊之一，Journal of the American Chemical Society 已有143年历史，是全球公认的化学领域国际顶级期刊。
氮气是地球大气的主要成分，约占总气体的78%。常温常压下，氮气以N≡N非极性共价键结合为典型的双原子分子。分子中的叁键键能很大，难以被破坏，因此，氮气具有高度的化学惰性。在超高压力作用下，固体氮存在“压制分子解离”的现象，形成含有N=N或N-N的稳定聚合氮结构。由于N≡N和N-N、N=N之间存在巨大的能量差异，因此，聚合氮材料是备受关注的高能量密度物质。然而，聚合氮在百万大气压强（100GPa）以上的环境才能被实验制备，合成条件苛刻。
（高压下新型Ga-N化合物）
李全教授团队利用CALYPSO晶体结构预测方法，系统研究了高压下Ga-N体系的热力学稳定性，理论预言出三种全新化学计量比的富氮化合物GaNx（x = 5，10，15）。同时，利用激光辅助加热金刚石对顶砧高压实验装置，在85GPa的压强下成功合成出GaN5和GaN10。
李全，吉林大学物理学院教授，国家优秀青年科学基金获得者。任中国晶体学会高压专委会和材料学会青委会理事，中国材料学会青委会理事等。主要从事新型超硬功能材料的结构设计和物性调控研究，曾获国家自然科学二等奖、优秀青年科学家奖等科研荣誉。
三种Ga-N化合物都具有丰富的化学键合行为和新奇的聚合氮拓扑结构。它们能量密度（4.1–5.3 kJ/g）与传统炸药（如TNT、HMX等）相媲美，且合成压强远低于聚合氮的制备条件。当前研究提出了通过p区元素与N2高压化学反应来设计高能量密度材料的新思路，拓展了富氮化合物的家族成员。
本文第一作者为吉林大学2020级博士研究生翟航。本文通讯作者为吉林大学物理学院李全教授和马琰铭教授、中国科学院物理研究所于晓辉研究员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林大学科学技术创新研究团队和交叉学科创新平台等项目的资助。
吉林大学计算方法与软件国际中心面向国家对原创科学计算方法和软件的战略需求，瞄准计算科学领域中的重大科技前沿，依托物理学院成立于2018年5月。中心发展原创的科学计算方法，研制我国自主产权的科学计算软件系统，为我国培养科学计算领域高端人才，打造世界一流的计算科学研究中心、人才培养中心和学术交流中心。
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文章素材来源：吉林大学物理学院官网、吉林大学博士后官微、吉林大学化学学院官网、吉林大学计算方法与软件国际中心官网
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