基于表面等离子体基元共振效应的光热/极化耦合作用下CL-20的分解机理研究

It is a hot point and difficult point in the research of laser initiation to realize low initiation threshold and high energy output. The laser direct thermal initiation of explosive (such as CL-20) is an effective way to solve the problem. However, the absorption of CL-20 molecules to light is low, which leads to the existence of high threshold and poor stability. Surface plasmon resonance (SPR) photothermal effect can achieve efficient conversion of light energy to heat energy, dipole polarization effect of SPR can effectively reduce the activation energy of the reactants, which have been widely used in artificial photosynthetic reaction. Based on these results, this project intends to use laser irradiated ruthenium (Ru) nanoparticles to generate SPR thermal and provide the initial thermal decomposition energy of CL-20, and use gold (Au) nanostructure to generate SPR dipole polarization effect and reduce the activation energy of CL-20. The project aims at summarize the reaction rules of CL-20 under the coupling active of SPR photothermal and SPR polarization effect by means of experimental study of the structural evolution, decomposition or explosion behavior of CL-20. Meantime, a theoretical model will be established by theoretically study of the thermal decomposition behavior of CL-20 using molecular dynamics and density functional theory. Finally, combined with experimental research and theoretical calculation, a decomposition mechanism of CL-20 under the coupling active of SPR photothermal and SPR polarization effect should be established, which may provide scientific guidance for low threshold laser initiation.

实现低起爆阈值和高能量输出是激光起爆研究的热点和难点，激光直接热起爆猛炸药（如CL-20）是解决该问题的有效途径。然而，CL-20分子对光的吸收低，导致存在起爆阈值高和稳定性差等不足。基于表面等离子体基元共振（SPR）的光热效应可实现光能到热能的高效转换，基于SPR偶极子的极化效应则可有效降低反应物的活化能，已广泛应用于人工光合成反应。基于此，本项目拟利用激光照射下钌（Ru）纳米粒子的SPR光热效应为CL-20提供初始热分解能量，利用金（Au）纳米结构的SPR偶极子极化效应降低CL-20的分解能垒。通过实验手段研究CL-20在SPR光热/极化耦合作用下的结构演化、分解或爆炸行为，总结分解反应规律。利用分子动力学、密度泛函等理论计算建立分解理论模型。最后结合实验研究和理论计算建立CL-20在SPR光热/极化耦合作用下的分解机理，为低阈值激光起爆提供科学指导。

实现低起爆阈值和高能量输出是激光起爆研究的热点和难点，激光直接热起爆猛炸药（如CL-20）是解决该问题的有效途径。然而，CL-20分子对光的吸收低，导致存在起爆阈值高和稳定性差等不足。为了解决该问题，本项目提出了利用光热/极化耦合效应降低CL-20的分解能垒的研究思路。在项目实施过程中，采用基于密度泛函理论（DFT）的方法系统研究了电场对CL-20分子稳定性（始发键）的影响规律，发现沿始发键反向施加电场会导致始发键长变大，稳定性变差。通过机理分析，揭示了电场作用下CL-20分子中引发键的电子密度降低、分子表面静电势极值增大是影响其稳定性的主要机制。进一步，利用分子动力学方法研究了电场对CL-20分子分解过程的影响规律，发现了电场有利于CL-20分子的快速分解，同时可提高其能量释放水平（生成更多小分子产物）。在实验上，主要发展了基于Ti3C2 MXene@Au薄膜的高性能激光能量转换材料。该材料可实现光热效应和放热化学反应的耦合，实现高性能的激光能量转换。利用该激光转换薄膜，实现了CL-20的低延迟时间的激光点火。本项目研究成果为CL-20的激光点火提供了新的途径，也为CL-20的安全使用提供了科学指导。