含能材料受激发分子形成过程中声子-振子耦合的飞秒时间分辨冲击受激拉曼散射光谱研究

The reaction mechanism and safety of energetic material is closely related to phonon-vibrator coupling in the formation of excited molecule. Real-time detection of phonon-vibrator coupling is the crucial and difficult technique in energetic material molecule reaction dynamics. Concerning this issue, the project will use femtosecond time-resolved impulsive stimulated Raman scattering (fs-ISRS) technology to detect phonon-vibrator coupling of energetic material molecules such as nitromethane (NM), cyclotrimethylene trinitramine (RDX) and cyclotetramethylene tetranitramine (HMX) etc. In experiment, the double pulses exciting will be applied to make energetic material molecule form force vibration (phonon) on femtosecond time scale, and the supercontinuum will be used to detect energy transfer between the phonon and vibration of chemical bond (vibrator) in molecule. Comparing the ISRS results with the information of vibrational state on ground state, the relatedness between the competitive relation among vibrators and the formation of reaction path will be acquired, and the relatedness between the behavior evolution of vibrator and the sensitivity will be obtained. And then, the relationship between the phonon-vibrator coupling and the reaction mechanism and safety of energetic material will be distinct, which will lay the foundation for further study on microscopic reaction mechanism.

含能材料的反应机理和安全性同受激发分子形成过程中声子-振子耦合息息相关。对声子-振子耦合的实时探测是含能材料分子反应动力学研究中的关键性技术和难点。针对这一问题，本项目将采用飞秒时间分辨冲击受激拉曼散射(fs-ISRS)技术探测硝基甲烷(NM)、黑索金(RDX)以及奥克托今(HMX)等含能材料分子中的声子-振子耦合。在实验中，拟采用双脉冲激发的方式使含能材料分子在飞秒时间尺度上产生受迫振动（声子），并利用超连续辐射白光(SC)对声子和分子中化学键振动（振子）之间的能量转移过程进行探测。通过对ISRS实验结果和基态振动态信息的比对分析,给出振子间的竞争关系同反应通道形成之间的关联性，以及振子的行为演化过程同感度之间的关联关系。进而将能够梳理清楚声子-振子耦合同含能材料的反应机理和安全性之间的关系，为进一步研究含能材料的微观反应机理奠定了研究基础。

含能材料声子和振子动力学过程同其安全性及反应行为息息相关。然而，由于探测技术的限制，对声子、振子动力学过程以及声子-振子的耦合行为的研究还十分有限。针对这一问题，本项目建立了多功能时间分辨四波混频实验平台，利用飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射光谱技术（fs-CARS）和冲击受激拉曼散射光谱技术（fs-ISRS）来研究黑索金（RDX）、硝基甲烷（NM）、硝基苯（NB）等典型含能材料及模型分子的声子和振子动力学过程。研究内容主要涉及三个方面：第一，声子的激发、弛豫与解离；第二，声子-振子耦合过程；第三，振子竞争关系及演化过程。通过多次实验，提供了有关NB分子取向光调控过程、RDX晶体中声子的激发选择性、RDX晶体中声子弛豫和解离、NM和IR780分子间振动相干转移过程、RDX晶体中分子内振动重分布过程的实验数据。研究结果表明对于各向异性的含能材料来说声子的激发在各个晶面具有选择性，一些被激发的声子会将能量转移给分子内的化学键（振子），得到能量的化学键会以分子内振动重分布的方式将能量会聚到某一个或某几个化学键上，最终导致这些化学键的断裂。这一发现为进一步研究含能材料的微观反应机理提供了数据支撑和实验基础。