熵介导的固化稳定并增强无定形能量材料的能量释放

为什么制造更安全且强大的材料很重要

炸药被设计为在一瞬间释放能量，但在储存、运输和操作过程中必须保持安静且稳定。能量与安全之间的紧张关系长期以来迫使工程师作出妥协。本研究探索了一种新的构建高性能炸药的方法，通过将其重塑为类玻璃的无定形形态而非常见的晶体形态，从而为下一代能量材料提供一种兼具更高安全性与效率的新途径。

从整齐的晶体到无序的玻璃

大多数传统炸药由易于结晶的刚性有机分子构成，会自发排列成有序、重复的晶格。这种有序结构有利于高密度存储能量，但也会产生薄弱部位，例如晶界和缺陷，在受到冲击或摩擦时容易形成危险的局部热点。作者提出这些相同的分子是否可以被冷冻成一种无序的玻璃状固体，类似于窗玻璃。在这样的无定形状态中，分子不再呈长程有序排列，从而可能平滑掉薄弱点，同时保留能量含量。

设计一个拒绝结晶的分子

要让小而刚性的分子稳定地保持无定形状态出乎意料地困难：它们在冷却时通常会回缩成晶体。团队分析了一系列能量化合物，发现具有更三维结构、平面性较低的分子更难结晶。他们还发现同时存在氢键给体与受体有助于将分子锁定在无序排列中。在这些设计原则的指导下，他们将注意力集中在一种名为 DATNBI 的炸药上，其弯曲的双环骨架以及硝基和氨基基团天然地破坏了整齐堆积并有利于形成三维氢键网络。

将无序“冻结”并保持其稳定

为了制备无定形 DATNBI，研究人员将晶体材料熔化后快速淬火，将分子困在高熵的玻璃态中。他们用 X 射线衍射确认了晶体序的丧失，衍射图谱显示为宽晕而非尖锐峰，并测得约 60°C 的相对较高的玻璃化转变温度。在该温度以下，这种无定形固体在至少一天内保持结构稳定，即便在略高于室温条件下也如此。显微观察显示出平滑致密的微观结构，孔隙和缺陷比晶体少，表面测量表明其表面更均匀、粗糙度更低，且更易与其他材料粘附。

一种自愈且更清洁燃烧的能量玻璃

这种无定形炸药的一个显著特性是其在轻微加热时能够修复微小裂纹。在约 60°C 左右，表面裂缝在数秒内闭合，分子运动性和氢键网络使材料能够以不足以熔化的程度流动，从而完成自我修复。小角 X 射线散射显示，随加热材料中微小空穴的数量显著下降，有助于在机械受扰时抑制热点形成。在加热至分解时，无定形形态比晶体分解得更完全，留下的固体碳残留远少，产生的气体也更完全氧化。动力学分析表明分解的能量势垒更低，燃烧测试显示燃烧更快且峰压更高，这意味着储存的能量以更快且更高效的方式释放。

在未来装置中平衡能量与安全

通过有意将炸药锁定为一种亚稳的无序固体，研究人员实现了一种不寻常的组合：在降低冲击和摩擦敏感性的同时实现更快、更完全的能量释放。这种熵介导的固化策略避免了用惰性粘结剂稀释炸药，从而在提高加工性（如热压或3D 打印）时保持高能量密度。超出该特定化合物之外，他们确立的设计规则——使用非平面骨架和强烈的三维氢键网络——为制作新一代无定形能量材料乃至其他兼顾鲁棒性与高性能的功能性分子玻璃提供了蓝图。

引用: Zhou, X., Wang, Z., Huang, H. et al. Entropy-mediated solidification stabilizes and enhances energetic release in amorphous energetic materials. Nat Commun 17, 3271 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69256-9

关键词: 无定形能量材料, 类玻璃炸药, 氢键网络, 能量释放效率, 材料安全性