炸药单分子片层的制备及其对力电的响应行为

One-molecule or atom-thick nanosheets are highly sought because of their great potential in many fields, such as photoelectric conversion, energy storage, catalysis, benefiting from their excellent optical, electrical, mechanical properties compared with their micro- or macroscopic counterparts. Till now, such nanosheets are mainly restricted to the stable materials. On the contrary, there is few studies on metastable organic nanosheets (explosive, for example). In this project, we plan to prepare a compact and orderly one-molecule-thick explosive nanosheets on special substrate through hydrogen bonding between explosive molecules, and its force-current dependence property can be realized by using the electrical conductivity of -NO2 resulting from conjugated system and the changes of conformation under external forces. In addition, the responding law to micro-force and electrical stimulation and the charge transmission mechanism of explosive nanosheets are also discussed, which is helpful for us to deeply understand the change regularity of conformations and the electric conductivity of -NO2 with load.We hope the studies in the project can give a boost to insight into the performance of explosive at the molecular scale, provide reference for studing single-molecule responsing to micro-stimulation (e.g. light, hot, microwave), and offer theoretical basis for the application of explosive nanosheets in high acuity micro-force sensor.

单分子（原子）片层材料在光学、电学、力学等方面表现出块体材料所不具有的优异性能，在光电转换、储能、催化等领域具有突出的应用前景。目前对单分子片层材料研究主要集中在较稳定的物质，从未涉及炸药这类亚稳态有机物。本项目拟在不同基底材料上制备炸药单分子片层，利用炸药分子间的氢键作用实现分子的紧密有序排列；利用炸药分子硝基基团共轭体系的导电性及在负载下的形变特性，实现炸药单分子片层的力电响应；揭示炸药在单分子片层状态下对微弱力、电的响应规律和电荷传输机制，深入理解硝基基团的构象、离域电子的导电能力随负载的变化规律。通过本项目的研究，必将促进科研人员从分子尺度上深入理解炸药的本征性能，为研究单个炸药分子在其他微小刺激（光、热、微波等）下的反应行为提供参考，为炸药单分子片层在高敏度微力传感器中的应用提供理论依据。

基于无机和有机单分子二维结构材料在材料科学领域所表现出的优异特性以及其广泛而诱人的潜在应用价值，本项目聚焦亚稳态炸药单分子片层结构材料，并对其进行了一系列基础性科学研究。获得了炸药分子平面排列的最佳结构，研究了不同温度、时间等对制备炸药单分子片层的影响并利用炸药分子的导电性及在负载下的形变特性，研究表明：（1）通过第一原理和密度泛函数理论的考察，结合实验所得，首次给出了炸药单分子片层的二维精细晶体结构；制备LLM-105片层结构的最佳温度为220 ℃，时间40 s，（2）制备了TATB片层结构的最佳条件为210 ℃，时间是60 s；制备FOX-7片层结构的最佳条件为190 ℃，时间是40 s;（3）利用炸药分子硝基基团共轭体系的导电性及在负载下的形变特性，实现炸药单分子片层的力电响应并揭示炸药在单分子片层状态下对微弱力、电的响应规律和电荷传输机制。最后，通过研究具有共轭体系的LLM-105单分子片层结构中的特征基团－硝基基团的导电能力随负载压力的变化，归纳得到了相应的力－电作用方程式并给出了相应的科学解释：作为炸药的特征基团的硝基，硝基上的氧原子也具有较强的亲电性，在外界作用下进行一定程度的旋转(两种硝基的旋转角度分为154°和167°)，其中一个氧原子容易靠近富电性基底，进而形成倾斜的结构，在外加负载和电压情况下，硝基的共轭结构使平面分子的导电性显著增加，同时硝基的旋转角度变化会明显影响分子的电阻大小。通过本项目的研究，为研究有机亚稳态炸药分子在微小刺激（光、热、微波等）下的行为提供了必要的理论基础，为炸药单分子片层在高敏度微力传感器中的应用提供理论和实验依据。必将在加深从分子尺度上深入了解炸药本征性能的同时，拓展并完善在基础科学理论的认识，并有效促进有机亚稳态炸药分子在微感应器件、有机小分子器件等领域的应用。