當(dāng)材料受到壓縮時(shí)，其原子會(huì)被迫進(jìn)入在常規(guī)條件下不存在的異常排列。這些構(gòu)型往往是短暫的：一旦壓力釋放，原子通常會(huì)松弛回到穩(wěn)定的低壓狀態(tài)。只有少數(shù)非常特定的材料（如鉆石）在回到室溫和大氣壓后仍能保持其高壓結(jié)構(gòu)。利用計(jì)算模型，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一氧化碳和氧氣混合物形成聚合物的一條路徑，該聚合物即使在減壓后仍能保持穩(wěn)定。

但在環(huán)境條件下將這些原子排列鎖定在原位，可以創(chuàng)造出具有廣泛應(yīng)用潛力的一類新型有用材料。一個(gè)特別引人注目的例子是含能材料（特指能夠通過化學(xué)反應(yīng)如燃燒、爆炸快速釋放大量能量的一類材料），這類材料在推進(jìn)劑和炸藥方面非常有用。

在發(fā)表于《自然·通訊·化學(xué)》（《Nature Communications Chemistry》）的一項(xiàng)研究中，LLNL的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的二氧化碳等效聚合物，該聚合物可以從高壓條件下回收。

"二氧化碳的聚合物形式儲(chǔ)存的能量遠(yuǎn)高于普通二氧化碳，因?yàn)槠湓颖绘i定在致密的共價(jià)鍵合網(wǎng)絡(luò)中。"該研究作者、LLNL科學(xué)家Stanimir Bonev表示。"如果這種材料可以被回收并穩(wěn)定下來，它就代表了一種高能量密度材料——意味著它可以儲(chǔ)存并可能釋放大量的單位質(zhì)量或體積能量。"

該團(tuán)隊(duì)將量子分子動(dòng)力學(xué)模擬與大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，預(yù)測形成聚合物的路徑，并理解其在高壓下以及壓力釋放時(shí)的行為。這些方法共同使研究人員能夠以受控且系統(tǒng)的方式探索廣泛的壓力和溫度條件，為未來的實(shí)驗(yàn)工作提供了明確的配方。

突破性的進(jìn)展在于，研究人員專注于壓縮一氧化碳和氧氣的混合物，而不是二氧化碳本身。從分子混合物開始可以使轉(zhuǎn)化在較低壓力下發(fā)生，并開辟更靈活的反應(yīng)路徑。這種方法還有利于形成非晶固體，這種固體缺乏晶體的規(guī)則結(jié)構(gòu)，在壓力釋放時(shí)可能更穩(wěn)定。

"我們認(rèn)為這些非晶結(jié)構(gòu)在壓力釋放時(shí)經(jīng)歷的鍵應(yīng)變較小，這增強(qiáng)了它們在環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。"Bonev說。"這凸顯了非晶材料的潛力——它們常常因?yàn)榫w更受青睞而被忽視——但它們可以提供更大的穩(wěn)定性和有用的性能。"

通過這種混合物，研究人員確定了一條合成路徑，該路徑從約7吉帕（1 GPa = 1,000 MPa（兆帕））的壓力開始——比以前形成基于聚合物的二氧化碳材料所需的超過100吉帕的壓力低了一個(gè)數(shù)量級。

除了展示如何創(chuàng)建材料的模擬之外，作者還提供了其有效性的物理解釋。關(guān)鍵在于碳-碳鍵，它們在混合物中容易形成，并有助于形成獨(dú)特而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，幫助材料在壓力釋放時(shí)保持完整。

科學(xué)家們希望這項(xiàng)工作為未來的實(shí)驗(yàn)努力提供一個(gè)具體的目標(biāo)和實(shí)用的策略。更廣泛地說，這種方法可以應(yīng)用于涉及碳、氧、氮或氫的其他輕元素系統(tǒng)，可能產(chǎn)生新的可回收含能和功能材料系列。