基于材料基因组设计高性能火箭推进剂

新一代的用于深空探测的火箭推进剂，例如具有长寿命和高稳定性的离子液体推进剂，引起了广泛的关注。然而，离子液体推进剂因其过高的过高酸度而受到严格限制燃料和氧化剂之间的(自燃)反应性，这种缺陷会导致火箭发射过程中的局部燃尽和意外爆炸。在一份新的报告中，袁文立和四川大学和爱达荷州大学的化学研究小组提出了一种视觉模型，以演示推进剂的特性，以估算其性能和应用。推进剂的材料基因组和可视化模型极大地提高了开发高性能推进剂的效率和质量，并在高能材料领域发现了新的和先进的功能分子。该研究成果现已发表在《科学进展》上。

太空探索和材料基因组方法。

发现新材料的最新策略提出了一种基于“材料基因组”的方法，该方法依靠对目标材料的结构和特性进行大数据分析来发现新材料。研究人员旨在构建人工智能程序并进行筛选，以使用该方法在短时间内分析大量可能的结构。袁等人。在这项工作中应用了材料基因组方法来预测最可能的高果酸添加剂。人类一直对太空探索着迷，并设想穿越时空，尽管数千年来技术限制使这一雄心勃勃。目前，高性能航天器 正在利用现代技术进行开发，以实现在低地球轨道内以及整个太阳系内的有人和无人空间导航。

推进剂(火箭燃料)释放的化学能构成火箭和航天器的动力来源，可以决定航天器的高度范围和使用寿命。例如，飞往火星和金星的基于液态二氢和氧气燃料的阿特拉斯-半人马火箭，以及向月球发射的含有UDMH(不对称二甲基肼)/四氧化二氮的长征3B火箭。但是，这些高性能火箭推进剂或燃料受高毒性和分解的限制，并且仅在极低的温度下才能稳定存在。。因此，需要一种有效且系统的方法来设计高性能的高hygolicic添加剂。材料基因组方法可以减少开发此类新材料所需的调查时间。

建立超物质材料基因组数据库

为了建立超多元材料基因组数据库，研究小组确定了超多元化合物的关键结构，并探讨了它们的构效关系。高声反应是放热的氧化还原反应(即燃烧)，其中的成分在与火箭燃烧器接触时可以自燃。这样的化合物通常由诸如碳和氮的产气元素制成。就像该基因与其碱基对之间的关​​系一样，不同的氢(H)，碳(C)，氮(N)和其他元素构成一系列超高官能基团和框架，可生成高超化合物作为合适的火箭推进剂。这些材料必须具有点火延迟时间，高燃烧焓和高比冲，才能确定火箭的总能量有效载荷能力。推进剂添加剂也应稳定且相容。基于这些要求，袁等人。提供了一种直接方法，可从其功能结构的元素组成中识别超高聚物添加剂的关键结构。

氮和富碳的高能推进剂

富含氮的高能推进剂可以增加传统燃料以外的能量，从而改善火箭燃料的比冲。利用现有文献，研究人员发现了1000多种推进剂及其混合物之间的关系，以了解其元素组成与热分解特性之间的联系。氮含量为30%至50%的推进剂在分解温度超过200摄氏度时具有最高的热稳定性。研究人员推断出合适的氮含量，以满足高性能推进剂的特定要求和热稳定性。碳元素含量还产生了航天器推进所需的大量燃烧热和气态二氧化碳提供足够的化学能量来克服重力。根据碳与氮之间的燃烧焓，推进剂燃烧的焓与碳含量成正相关。为了设计推进剂，研究小组结合了推进剂中氮元素的限制和最高允许碳含量，以实现特定脉冲和燃烧焓的最佳性能。

结构组成和量子分析

结构组成是高性能推进剂的另一个关键特征，可确定其稳定性，着火行为和生物毒性。由阳离子和阴离子组成的离子液体具有混溶性，挥发性，次毒性和热稳定性的独特优势，从而大大降低了使操作人员接触气溶胶和爆燃的风险。使用筛选方法，袁等。为快速设计和鉴定目标化合物提供了基本指导，并考虑了其他重要指标(包括超高分子量反应性和密度)，以选择最佳性能结构。

然后，该团队通过研究阴离子的分子轨道(MO)理论作为确定超高极性的标准，进行了量子分析，并测试了15种阴离子，其中(1-甲基肼基)四唑酸酯(MHT)离子液体满足超高添加剂的所有要求。基因组数据库和筛选过程因此完成。袁等人。然后研究了MHT离子液体的结构和理化性质，包括密度，热稳定性和爆炸特性。顺便提及，1-丁基-3-甲基咪唑鎓阳离子(Bmim +)基MHT燃料具有最高的热分解温度，超过200摄氏度，在极端的太空条件下是安全的。该团队还测试了另外两种基于(Bmim +)的推进剂，包括基于Bmim的双氰胺(BmimDCA)和Bmim 5-氨基四唑(BmimAT)离子液体。

展望—高性能推进剂

由于毒性是推进剂中的一个严重问题，因此研究小组使用费氏弧菌(Vibrio fischeri)细菌测试了离子液体的毒性，该细菌可以确定材料的环境可接受性和毒理学参数。与传统燃料相比，结合的BmimMHT / BmimDCA离子液体作为绿色推进剂是有利的。相对于毒性，稳定性和挥发性，DCA离子液体更为独特。在推进剂的物质基因组方法的指导下，袁等人。将DCA离子液体与BmimMHT结合使用，以弥补DCA的超高声行为。

这样，袁雯丽及其同事通过使用推进剂材料基因组方法设计了一个以前未实现的高性能推进剂系列。MHT离子液体成功解决了DCA离子液体的着火行为。该设计策略采用了集成在推进剂领域的研究性材料基因组方法，总结了推进剂的结构-活性关系以及稳定性，高清爽性和毒性。基因组学方法将指导和促进分子材料的设计和新材料的应用，以开发新的高性能推进剂。

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