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静水压对晶体结构的作用研究文献综述

 2020-05-17 09:05  

共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象,是一种物理现象,共晶合金直接从固态变到液态,而不经过塑性阶段,是一个液态同时生成两个固态的平衡反应。在大多数例子中,共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔点相差100℃。共晶广义的定义是一个混合晶体或一个晶体中包含两个不同的分子。超分子化学和晶体工程学的概念认为共晶是不同种类的分子发生特殊专一的选择性相互作用,形成具有特定结构的分子有序组合体[1];Aakerouml;y 等[2]进一步细化了这一概念,认为共晶是在常温下为固体的不同种类分子反应所得;Desiraju[3]和Dunitz[4]认为共晶是一个混合晶体,或者是在一个晶体中包含两种不同的分子;Andrew[5]认为共晶仅仅作为”多组分分子晶体”的同义词,对 Aakeroy 的固态反应物提出了异议。

尽管目前对”共晶”的概念还没有一个公认的准确的定义,但绝大部分研究者还是认同”共晶为不同种类 ( 两种或者两种以上 ) 的分子通过氢键等分子间相互作用,形成具有特定结构和性能的多组分分子晶体”。

共晶的制备方法分为液体合成法和固体合成法两种类型。液体合成法主要包括蒸发结晶法[6]和冷却结晶法[7],这两种方法主要是通过缓慢蒸发溶剂或者冷却溶液的方法来制备共晶,是目前较为常用的方法。溶液结晶法要求两组分在溶液中的相互作用力要比各自间的相互作用力强,两组分在结构上要有形成潜在氢键的官能团。

固态研磨法是外界力的作用下使不同组分形成共晶,这种在机械力作用下促使物质发生物理化学变化的方式,为新的共晶化合物开发提供了手段。固态研磨法不需要引入其他原子,同时不会产生废弃物,是一种绿色的合成方法。根据在研磨过程中是否加入液体,固态研磨发又分为无液干磨(Neat Grinding,NG)和加液湿磨(Solvent-Drop Grinding,SDG)两种方法。无液干磨在制备共晶过程中不加任何液体,Etter认为这是一种非常可行的方法,例如4-氯-3,5-二硝基苯甲酸和蒽的共晶[8],以及methyladenine(甲基腺嘌呤)和methylthymine(甲基胸腺嘧啶)[9]。加液湿磨需要加入少量的溶剂,这种方法是由Shan等人在2002年提出来的。这种方法使得共晶过程中API和前驱体的溶解过程不再是必须的,有效的减少了溶质与溶剂之间的相互作用。这两种方法制备的共晶比较纯,很少有副产物生成,是一种绿色的制备方法[10]

超声法制备共晶的实例是盐酸氟西汀和卤素原子共晶[11],适用于反应物浓度很低或者用量很少的样品,如Child[12]利用超声法在只有20μL的溶液中制备了氯唑沙宗-苯甲酸的共晶。超声法还能制备溶液法和研磨法很难制备或者无法制备的共晶,这种方法的优势在于操作简单、方便易行且适合大批量共晶的筛选工作。

高氯酸盐作为一种强氧化剂,被广泛应用到含能材料领域。而研究表明高氯酸的有机胺盐具有更高的安全性,且有机胺配体较多,可以设计合成出一系列化合物,来满足不同的实际应用需求。比如已经获得的乙二胺高氯酸盐和三乙烯二胺高氯酸盐的共晶化合物(简称ST)就具有能力高、密度大且耐高温的特性[13]

本文将采用液体合成法来制备有机胺高氯酸盐晶体,通过Materials Studio来解析晶体结构。

Materials Studio是accelrys专为材料科学领域开发的新一代材料计算软件。它能方便地建立3M分子模型,深入分析有机晶体、无机晶体、无定形材料以及聚合物,可以在催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模和X射线衍射模拟,操作灵活方便,并且能够最大限度地运用网络资源。模拟的方法包括量子力学的密度泛函理论、半经验的量化计算方法、分子力学、分子动力学以及介观模拟方法等[14]

Materials Studio在高分子材料中的应用计算机模拟已经应用在高分子科学的各个方面,包括模拟高分子溶液、表面和薄膜、非晶态、晶态、液晶态、共混体、嵌段共聚体、界面、生物聚合物、高分子中的局部运动、液晶高分子的流变学、力学性质和电活性等[15]

本文将采用Materials Studio软件中的CASTEP模块对有机胺高氯酸盐晶体进行建立模型并优化,到达能量的最小状态,再进一步分析高压下(40-70GPa)晶体结构以及晶体能带和态密度变化规律,计算不同压力下晶体的能带和态密度,分析压力对能带和态密度的影响,分析晶体高压下晶胞参数的变化规律,计算不同压力下晶体高压下的压缩情况,反应在晶胞数据的变化上,对该数据进行作图分析,来研究了解静水压对晶体结构的影响。

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