限域于纳米管内的典型双原子分子体系的高压行为研究

本项目拟利用北京同步辐射大装置，采用高压原位同步辐射X射线衍射、高压原位XAFS等实验方法，开展限域于纳米管内典型双原子分子体系的高压行为研究，获得准一维纳米限域条件下双原子分子的压致结构相变规律，寻找金属化相变和原子相形成的条件以及稳定的结构，探索准一维纳米限域条件下非公度相变等新奇的物理现象，揭示纳米限域条件下压致分子解离、金属化相变和原子相转变的物理机制；研究高压相的电学特性，探索新型超导相的形成。加深双原子分子体系在准一维纳米限域条件下高压行为的认识，为在双原子分子体系中获得全新的金属相和超导相等高压新相提供一条崭新的途径，为得到新型的准一维纳米材料提供实验依据和理论指导。该研究在国际上是他人尚少涉猎的全新领域。

高压下分子体系的研究对金属氢的探索有着重要的指导意义。高压下分子体系的结构相变、性质、分子解离等问题是人们关注的焦点。将高压手段运用到限域分子体系，探索限域和高压双重作用下分子体系的物质形态、结构转变、性质等，开辟了一个新的未知领域，为在高压下获得新结构、揭示新规律提供了巨大的创新空间。纳米限域下的分子体系为我们开辟了一个认识微观限域空间分子的新视角。.　　本项目中，我们利用北京同步辐射等科研大装置，采用高压原位同步辐射X射线衍射、Raman光谱等实验技术，结合理论模拟，研究了双原子分子纳米限域体系、富勒烯分子纳米限域体系、简单含氢分子体系以及非分子体系纳米材料等在高压下的结构变化和相变规律。利用高压等手段成功地制备出I2、Br2、N2、O2等分子限域于碳纳米管、分子筛（AFI）纳米孔道中的典型准一维纳米限域复合结构材料。获得了稳定的I2@AFI准一维限域复合材料，确定了碘分子在孔道内主要是以分子链(I2)n、原子链(In-)或部分分子垂直孔道方向的方式存在于孔道内，发现了准一维限域I2分子链的压致增长和分子取向的转变。成功地将N2分子限域于AFI纳米孔道中，获得了准一维限域的N2分子限域体系复合材料，发现了限域孔道中N2分子振动发生明显的劈裂，获得了常压下稳定存在于AFI孔道中的非气态氮。发现了O2分子在AFI限域孔道中的振动劈裂行为，揭示了其高压相变机制。首次发现以压致C60非晶团簇为结构单元的全新有序超硬碳晶体，进一步揭示了超硬相的形成机制。利用纳米限域和压力的双重作用，实现了大碳笼富勒烯C70的压致二聚和一维链状聚合；研究了富勒烯限域于纳米管内的结构及其动力学行为，发现了限域分子的最优取向与对称轴的关系有关。对单壁碳纳米管等限域模板开展了高压结构性质等方面的研究，发现高压下碳纳米管可能发生聚合形成新的碳结构的实验证据。理论模拟研究了乙硅烷等简单含氢分子体系在高压下的结构和超导电性等，揭示了其高压下的结构稳定性，预测了其在高压下的超导相结构及超导转变温度，并揭示了其超导电性的物理机制。对Gd2O3,TiO2纳米线等非分子体系纳米材料进行了高压结构相变研究，发现了形貌对纳米材料的高压相变具有显著地调节作用，为制备高压相纳米材料提供了新途径。这些结果为分子限域体系的新奇物理特性提供了新的认识，丰富了对该体系结构转变物理机制的理解。