高压下超分子材料的负压缩性研究

Negative compression materials are such abnormal that they expand along one or more specific directions when compressed uniformly. This bizarre mechanical property gives materials broad application prospects on optical fiber communications, seismic pressure sensors, sonar, aviation materials and smart armor. Supramolecular materials with large skeletons and intermolecular weak bonds interactions can be potentially negative compressional materials by means of proper design. With the aid of in situ high-pressure measurement technologies, this project intends to select and design supramolecular materials with special structure, compressing with diamond anvil cells, to probe the characteristics, regularities and microcosmic mechanisms under negative compression behavior of supramolecular materials, reveal the effect on negative compressibility of molecular structure, intermolecular interaction, crystal topological structure, and other factors, illustrate physical and chemical nature of changes and new properties of negative compression materials under high pressure, design and prepare new materials that have giant negative compressibility ratio within a large pressure range, and provide scientific bases for the actual development and application of negative compression materials.

负压缩材料是指在压力作用下，在特定方向上出现反常受压膨胀的材料，在光纤通讯、地震压强传感器、声呐、航空和智能装甲等领域具有广泛的应用前景。近年来，作为潜在的负压缩材料，一些具有大的分子骨架和分子间弱键相互作用的超分子体系引起人们的广泛关注。本项目拟选择与设计具有特殊结构的超分子材料，采用金刚石对顶砧压机进行加压，利用各种原位高压测量技术，结合理论计算模拟，探索超分子材料负压缩行为的特点、规律和微观机制；揭示分子结构、分子间相互作用、晶体拓扑结构等因素对负压缩特性的影响；阐明超分子负压缩材料在高压下变化的物理化学本质和新性质；设计和制备在较大的压力范围内具有较大的负压缩系数的新材料；为负压缩材料的实际开发和应用提供科学依据。

反常压缩行为是一类极为特殊的晶体压缩行为，包括负线压缩、负面压缩与零线压缩、零面压缩行为。其中负线压缩行为是指在各向均匀的压力的作用下，晶体在体积减小的同时，沿某个特定方向反常地膨胀的现象；若在两个方向上同时出现负线压缩则称之为负面压缩行为；与此类似，若晶体在增大的静水压作用下，在一个方向上既不压缩也不膨胀则称为零线压缩；若在两个方向上均表现出零线压缩行为则称之为零面压缩行为。但由于反常压缩行为的特异性，目前发现的具有反常压缩行为的材料数量极为稀少。通过系统的研究，我们发现了6个具有代表性的反常压缩行为的材料。