含能材料六硝基芪激发态光解动力学的飞秒时间分辨受激拉曼光谱研究

Energetic materials will experience photoinduced decomposition (photodissociation) once excited by ultrashort laser pulse. The subsequently change of molecular structure of excited states and energy transfer process are important in the development of predictive detonation and safety models. Among different kinds of time-resolved ultra-short spectrum technique, femto-second time-resolved stimulated Raman spectroscopy (FSRS) not only has the advantage of high speciality, but also owns high temporal resolution and high spectral resolution, making it the most powerful technique of studying transient photo-induced dynamics. Based on the change of transient structure under the effect of laser pulses and with the help of quantum chemistry theoretical calculation, this project will develop femto-second time-resolved spectroscopy thchnique to study the photodissociation products and corresponding photodecompositon mechnism of a special energetic materials 2,2’,4,4’,6,6’-hexanitrostilbene at a molecular level. This study can not only provide theoretical foundation and reference point for ignition and detonation of 2,2’,4,4’,6,6’-hexanitrostilbene, but also provide standard for realization of scientific, reasonable, safe application of laser technique in energetic materials, as well as provide a powerful path of studying optical properties of any other materials.

超短脉冲激光作用下，含能材料会发生光致分解（光解离），其激发态分子结构变化和能量转移过程是科学、合理、安全地实现激光技术在含能材料中应用的关键。本项目将在前期工作的基础上，搭建飞秒时间分辨受激拉曼光谱测试平台，进一步研究典型含能材料六硝基芪的激发态光解动力学过程。飞秒时间分辨受激拉曼光谱技术不仅具有高度特异性，还同时具有高时间分辨和高光谱分辨，可以给出激发态分子的结构信息。通过对六硝基芪关键基团的飞秒时间分辨受激拉曼光谱测量，结合量化计算，从分子尺度研究六硝基芪光解过程中的瞬态结构变化，揭示其光解离机制，包括光解路径、速度和产物，为六硝基芪的激光点火和起爆等应用提供理论基础和参考依据。本项目搭建的实验平台还可以为研究其它材料的光学性质和机理提供有力的技术手段。

六硝基芪（HNS）是一种典型的耐热含能材料，也是一种钝感炸药，具有优良的安全性能，同时也是一种典型的光敏材料，其结构为典型的对称性硝基类，在军事上应用广泛，其激发态动力学研究具有重要的应用价值。本项目提出通过理论计算和飞秒时间分辨受激拉曼光谱（FSRS）实验，研究六硝基芪的激发态光解过程，从分子尺度研究六硝基芪光解过程中的瞬态结构变化，揭示其光解离机制，包括光解路径、速度和产物，为六硝基芪的激光点火和起爆等应用提供理论基础和参考依据。.本项目主要完成了三方面的研究工作：.（1）.实验方面.针对西南科技大学极端条件物质特性联合实验室的激光实验平台，重新完善和优化设计了飞秒时间分辨受激拉曼光谱实验方案，考虑到直接实现三束光的时空同步以及激发态光谱信号获取难度很大，提出先建立基态受激拉曼光谱实验平台（两束光）的方案；在方案比较确定的情况下，对光谱系统包含的光学元件进行了详细的统计，分批次完成了所有光学元器件的采购工作；搭建了基态飞秒受激拉曼光谱系统，进行了白光光谱的优化；利用溶剂苯作为介质，开展了拉曼泵浦光和拉曼探测光的空间同步和时间同步调节工作。.（2）.理论方面.采用密度泛函理论开展了六硝基芪（HNS）中间态分子构型的优化工作，分析了可能的光解路径；计算了HNS分子低能量跃迁的垂直激发能，进一步确认了激发态的跃迁机制；探索了基态HNS可能发生的结构变化；计算了HNS分子的拉曼谱，进一步确认了分子中最容易发生反应的基团位置。.（3）.其它方面.本项目还研究了典型炸药TATB的激发态动力学和电子转移过程；利用密度泛函理论研究了几种典型硝基炸药分子的最低单重激发态弛豫过程，发现了碰撞感度和激发能的关系。.本项目的研究结果从理论和实验方面都为研究六硝基芪的基态/激发态光解过程打下了基础，指明了方向，提供了思路。.本项目现已发表SCI论文5篇，其它文章2篇，资助项目组成员参加学术培训1次，参加学术会议1次。