作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 基于基因组方法的推进剂设计新策略
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abb1899 新一代用于深空探测的火箭推进剂，如具有长续航能力和高稳定性的离子液体推进剂，正受到广泛关注
然而，离子液体推进剂受到燃料和氧化剂之间不充分的自燃(自燃)反应性的强烈限制，这种缺陷会在火箭发射过程中造成局部燃尽和意外爆炸
在一份新的报告中，中国四川大学和美国爱达荷大学的袁文丽和一个化学研究小组
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提出了一个可视化模型来演示推进剂的特性，以评估其性能和应用
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，有助于在含能材料领域发现新的和先进的功能分子
这项工作现在发表在《科学进展》杂志上
空间探索与材料基因组方法
最近一项发现新材料的策略提出了一种基于“材料基因组”的方法，该方法依赖于对目标材料的结构和性质的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，并使用该方法在短时间内筛选和分析大量可能的结构
袁等
在这项工作中应用材料基因组方法来预测最可能的自燃添加剂
人类一直着迷于太空探索，并设想穿越时空旅行，尽管几千年来技术的限制抑制了这种野心
目前，高性能航天器正在利用现代技术进行开发，以实现低地球轨道和太阳系内的载人和无人空间导航
推进剂(火箭燃料)释放的化学能构成火箭和航天器的动力源，并能决定航天器的高度范围和使用寿命
例子包括以液态二氢和氧气为燃料的阿特拉斯-半人马火箭，该火箭飞往火星和金星，以及长征3B火箭含有UDMH(不对称的二甲基肼)/四氧化二氮飞往月球
然而，这些高性能火箭推进剂或燃料受到高毒性和分解的限制，并且只能在极低的温度下稳定存在
因此，需要一种有效和系统的方法来设计高性能自燃添加剂
材料基因组方法可以缩短开发这种新材料所需的研究周期
基于材料基因组的推进剂设计程序
推进剂的组成和比冲之间以及组成和燃烧焓之间关系的彩色填充图
(三)不同含氮量推进剂的平均分解温度(橙色直方图)和平均密度(蓝点)
(四)推进剂碳含量与燃烧焓的关系
推进剂基因组方法的步骤从理论推测到实验验证
照片信用:袁文丽，四川大学
学分:科学进步，doi: 10
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abb1899 建立自燃物质基因组数据库 为了建立一个自燃物质基因组数据库，研究小组确定了自燃化合物的关键结构，并探索了它们的构效关系
自燃反应是放热氧化还原反应(即
e
燃烧),其中部件在接触火箭燃烧室时会自燃
这种化合物通常由产生气体的元素如碳和氮制成
就像基因与其碱基对之间的关系一样，不同的氢(氢)、碳(碳)、氮(氮)和其他元素构成了一系列自燃官能团和框架，以生成自燃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，以确定火箭的总能量有效载荷能力
推进剂添加剂也应该是稳定和相容的
基于这些要求，袁等人
提供了从功能结构的元素组成中识别自燃添加剂关键结构的直接方法
富含氮和碳的高能推进剂 富氮高能推进剂可以提高传统燃料以外的能量，以提高火箭燃料的比冲
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，以了解它们的元素组成和热分解特性之间的联系
含氮量为30-50%的推进剂具有最高的热稳定性，分解温度超过200摄氏度
研究人员推导出一个合适的氮含量，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，以提供足够的化学能来克服重力
根据碳氮燃烧焓，推进剂燃烧焓与碳含量呈正相关
为了设计推进剂，研究小组将推进剂中氮元素的限制与最高允许碳含量相结合，以获得比冲和燃烧焓的最佳性能
MHT离子液体的结构和自燃特性
1，2，3-三甲基咪唑5-(1-甲基肼基)四唑盐(1)的热椭球图(50%)
(B)沿晶体B轴向下看的1包装图
(三)由高速摄像机记录的对1:1 BmimMHT/BmimDCA溶液进行的液滴试验
(D和BmimMHT和类似物与BmimDCA离子液体系列摩尔比的点火延迟时间和变化率(为清楚起见，省略晶体中的H原子)
照片信用:袁文丽，四川大学
学分:科学进步，doi: 10
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abb1899 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，它决定了推进剂的稳定性、点火性能和生物毒性
由阳离子和阴离子组成的离子液体具有混溶性、挥发性、低毒性和热稳定性的独特优势，大大降低了操作人员暴露于气溶胶和爆燃的风险
采用筛选法，袁等
为快速设计和识别目标化合物提供基本指导，并考虑其他重要指标，包括自燃反应性和密度，以选择最佳性能结构
人体肌动蛋白、肌动蛋白、MHT和肌动蛋白的静电电位分析
(一)电潜泵作图分子vdW表面分子的结构优化
单位是每摩尔千卡
静电除尘器的表面局部最小值和最大值分别用蓝色和黄色点表示
(二)每个静电除尘器范围内vdW表面的表面积
学分:科学进步，doi: 10
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abb1899 然后，该小组通过研究阴离子的分子轨道理论作为确定自燃性的标准来进行量子分析，并测试了15种阴离子，其中(1-甲基肼基)四唑(MHT)离子液体满足自燃添加剂的所有要求
基因组数据库和筛选过程因此完成
袁等
然后研究了MHT离子液体的结构和理化性质，包括密度、热稳定性和爆轰性质
顺便提一下，基于1-丁基-3-甲基咪唑阳离子(Bmim+)的MHT燃料具有最高的热分解温度，超过200摄氏度，这在空间极端条件下是安全的
该小组还测试了另外两种(Bmim+)基推进剂，包括Bmim基二氰酰胺(BmimDCA)和Bmim 5-氨基四唑(BmimAT)离子液体
离子液体的毒性及综合评价
(一)摩尔比为1:1的MMH、双马来酰亚胺、双马来酰亚胺/双马来酰亚胺钙发光抑菌试验
五
ppm，百万分之一
(二)本次工作中常用液体推进剂和双马来酰亚胺/双马来酰亚胺的评价结果
学分:科学进步，doi: 10
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abb1899 展望——高性能推进剂 由于毒性是推进剂中的一个严重问题，研究小组使用一种费氏弧菌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，bmim ht/bmim DCA复合离子液体作为绿色推进剂具有优势
DCA离子液体在毒性、稳定性和挥发性方面更具独特性
在推进剂材料基因组方法的指导下，袁等
将DCA离子液体与BmimMHT结合，以弥补DCA的不足
这样，袁文丽及其同事利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家族
MHT离子液体成功地解决了DCA离子液体的点火行为
该设计策略以推进剂领域中集成的首次研究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、超高燃性和毒性
基因组方法将指导和促进新材料的分子设计和应用，以开发新的高性能推进剂
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