科学家研究纳米尺度含能材料的新进展

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教育部科技发展中心2006年9月12日报道：通过应用纳米尺度技术分析微量含能材料--即俗称的炸药--美国佐治亚理工学院和德州技术大学的科学家们得以分析温度，尺度等对这类材料行为的影响。


　　这种被称为“世界上最小可控热源”其实是小型原子力显微镜（AFM）旋臂，通过这一技术，科学家找到了研究纳米尺度炸药的新方法，这种技术能提供小尺度下材料融化，蒸发，分解等现象的信息。由于材料性能受纳米尺度因子如晶体尺寸，晶体间空隙的影响很大，所以这一研究结果能提高炸药的安全性。

　　以上结果发表在8月29日美国化学协会在线刊物《Nano Letters》上。

　　佐治亚大学机械工程助理教授William King说：“科学家渴望设计的含能材料具有特定性能，譬如在特定温度下具有特定爆炸率。之前没人能做到这点，通过我们得到的测量数据，可以建立这些材料行为的物理模型。”

　　利用AFM的探头，能在一个数纳米直径的点上加热。科学家对多晶含能材料四硝酸戊四醇酯（PETN）进行了纳米级热分析。他们在100纳米到几微米尺度内使PETN融化，蒸发，分解。

　　“我们可以在纳米级别控制含能材料形态，以及测量性质。”德州技术大学Brandon Weeks助理教授说。“由于分析的量很小，所以实验很安全，并能推测出量大的情况，迄今为止在军事领域外，很少有人做这样的研究。”

　　晶体间空隙在材料快速分解或爆炸中起着重要作用。当遇到刺激时，这些空隙温度，体积，压力增加，导致爆炸。Weeks表示：“空隙的形成无法直接控制，但是通过更好了解纳米级别炸药，可以控制材料合成，得到好的炸药。”

　　“我们希望通过控制微观性质来了解材料物理本质，得到更安全的炸药。”他补充道。“也许我们能为PETN这样的材料设置特定激发条件，当条件不符合时，材料就不会表现出爆炸性。”

　　在PETN实验中，通过在材料表面扫描时改变AFM旋臂的温度，科学家得到了融化，蒸发和分解率关于温度的函数，观察它们的变化。King说：“改变扫描的方式可以使材料二次凝聚，这时的晶体结构就发生了变化。这让我们可以在纳米尺度控制晶体结构。”

　　晶体结构还会随着时间变化，科学家们测量了PETN的改变。一段时间后晶体会变大，使炸药性能下降。PETN是在采矿，建筑和国防工业中广泛使用的炸药，但是由于实验中使用的只是爆炸所需量的千分之一，所以没有危险。

　　King的实验室中制造的硅旋臂能产生1000度以上的高温，温度变化范围大约在1度左右。除了含能材料，这种AFM分析技术还可以应用于其它材料。最后King说：“其它晶体材料可能多少具有相似的性质，我们将研究所有种类材料之前未被研究过的小尺度热性质，一旦从纳米尺度了解了材料性质，就可以在大尺度上设计它们。”