近日，中国科学院合肥物质院固体所计算物理与量子材料研究部与英国爱丁堡大学、北京高压科学研究中心等单位合作，在高压氮氧二元分子体系相图与分子相互作用研究方面取得新进展。相关研究成果以“Phase diagram of dense oxygen and nitrogen binary systems”为题，发表在Matter and Radiation at Extremes ( Matter Radiat. Extrem., 11,  057802(2026))上。

    氮气（N₂）和氧气（O₂）是地球大气的核心组分，也是典型的同核双原子分子体系。氮分子具有极强的氮氮三键，可在宽压力范围内保持分子特征；而氧分子则具有独特磁矩，在高压下表现出丰富的结构相变、金属化乃至超导等物理性质。研究N₂-O₂混合物在高压下的相变序列、混溶行为和分子间相互作用，对于揭示高压分子固体的基本规律以及行星内部挥发循环具有重要意义。

    长期以来，针对N₂-O₂二元体系的实验研究主要集中在12 GPa以下压力范围。然而，在更高压力条件下，氧氮混合体系仍存在诸多关键科学问题：混合组分是否会进一步发生混溶、相分离或化学反应，氮分子是否会影响氧的团簇形成与金属化过程等。针对上述问题，研究团队利用金刚石对顶砧装置，依托高压充气与低温混合样品装载技术，结合高压拉曼光谱和同步辐射XRD原位表征手段，在室温条件下对氧含量为10%-77%范围内的N₂-O₂混合物开展了系统性高压实验研究。

    实验结果显示，富氮样品中O₂的δ相到ε相转变被推迟至约17 GPa；富氧样品在10-17 GPa范围内出现复杂相共存区。当压力高于17 GPa时，体系中氧分子振动峰呈现三类特征，分别对应富氮、氮氧相对平衡和富氧局域微区，表明局域化学环境能显著调制分子间相互作用。持续升压压缩过程中，氧和氮总体上遵循各自纯组分的高压相变序列演化，未观察到新的稳定化合物形成。压力升至130 GPa以上时，以氮的非晶化和解离过程占主导，N₂和O₂的振动信号均显著减弱。该研究为理解简单双原子分子混合物在极端条件下的相稳定性、混溶行为和化学惰性提供了重要实验依据。

    合肥物质院为论文第一单位，项目副研究员许婉为论文第一作者，研究员Eugene Gregoryanz和爱丁堡大学Ross T. Howie为论文共同通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会以及欧洲研究理事会等项目的支持。

    论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0317277

图1. N₂-O₂二元体系在300 K的相图（灰色为多项共存区域）。