【哈工大（深圳）宣】（材料科学与工程学院/文、图）近日，索维奇智能新材料诺奖实验室成员张嘉恒教授和张计传博士在含能材料和杀菌防疫等领域取得重要研究进展，相关研究成果发表在《美国化学会志》、《自然通讯》、《ACS 应用材料与界面》和《化学工程期刊》等国际顶级期刊杂志上。
含能材料是一类快速将化学能转换为热能和机械动能的化合物，常见为炸药、推进剂、烟火剂和气体发生剂，在国防工业，矿业开采及航空航天领域都有着不可替代的作用。其中，高能量密度顿感材料以及高氧平衡氧化剂热稳定性一直都是含能材料研究领域的难题。张嘉恒教授团队注意到相比其它含能基团，羰基的能量能够显著增加含能材料的密度和氧平衡，并且降低感度。团队通过一种极其简单的方法，将氨基转化成羰基，化合物的密度由1.81g cm-3显著提高到1.95g cm-3，而且该化合物分解温度高达275℃，撞击和摩擦刺激相对顿感，加上其制备工艺简单(图1A)，具有巨大的应用前景。研究成果以《One Step Closer to an Ideal Insensitive Energetic Molecule: 3,5-Diamino-6-hydroxy-2-oxide-4-nitropyrimidone and its Derivatives》为题发表于国际顶级期刊杂志《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)（影响因子15.49）上。
硝仿基团因其较高的氧含量和简单的制备方法，作为一种极为优秀的氧化剂，一直以来受到广泛的关注。然而由于三个强吸电子硝基的作用，使得目前报道的所有硝仿类化合物的热分解温度都很低（80-150℃），满足不了现代含能材料的热稳定性的基本要求（180℃以上）。针对上述问题，团队研究人员利用多氮化合物的特性，在国际上首次采用多氮化合物与硝仿形成氢键骨架材料，将硝仿阴离子紧密的包覆在形成的骨架空腔中去，由于多重氢键和包覆的作用，使得该化合物的分解温度高达200℃（图1B），是目前唯一一个分解温度超过180℃的硝仿类化合物，该研究为稳定硝仿等氧化剂分子离子提供了新的思路。研究成果以《Taming nitroformate through encapsulation with nitrogen-rich hydrogen-bonded organic frameworks》为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）（影响因子14.91）上。
图1. 新型极具潜力的高能量密度顿感化合物和氢键骨架结构包覆的硝仿阴离子
近一年多以来，新冠病毒在全球范围内不停爆发和肆虐，对人们的生命安全和全球经济造成重大威胁，全世界科学家都在通过各种方式不停地探索和寻找应对新冠病毒的方法。张嘉恒教授团队巧妙结合含能材料与杀菌材料，成功研制出具有极大应用价值的大规模抛洒性能的新型防疫杀菌材料，为杀菌防疫提出新的思路。
图2. A，离子交换获取高密度杀菌材料；图B，新型高能杀菌材料的爆炸物-碘的抛洒瞬间及固-液态杀菌效果展示；图C，高能量密度含碘共晶化合物；图D，高能量密度共晶杀菌化合物性能对比
在文章里，团队率先提出将富碘富氧含能基团-碘酸根，通过离子交换引入到含能金属骨架，从而获得的含碘酸根离子的新型含能有机骨架材料(MOFs)，由于具有较高密度和氧平衡，其爆轰速度首次超过TNT传统含能材料，为爆炸主要产物-碘的抛洒提供极为重要的动能，使得其能够大范围抛洒杀菌（图2A, 2B）。同时，该团队率先提出将碘酸和高碘酸与弱碱性含能化合物共晶，得到的共晶材料（图2C-2D），碘含量和氧平衡进一步提高，是首例爆速突破7000m s-1且含碘量在50%的高能杀菌材料。鉴于以上两种方法得到的高能杀菌材料，其制备简单，爆轰性能及热稳定性优异，作为大规模防疫杀菌材料，展现出极大的应用价值。相关研究成果以《Superior High-Energy-Density Biocidal Agent Achieved with a 3D Metal–Organic Framework》和《Well-balanced energetic cocrystals of H5IO6/HIO3 achieved by a small acid-base gap》为题发表于国际著名期刊《ACS 应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interface )（影响因子9.22）和《化学工程期刊》(Chemical Engineering Journal)（影响因子13.27）上。（编辑 吴锐婵）
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c12251
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720327510
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c05292
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22475-8
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202014207
