Изследователи от Skoltech, института Карнеги във Вашингтон, университета Хауърд, университета в Чикаго и Института по физика на твърдото тяло на Китайската академия на науките са синтезирали K2N6, екзотично съединение, съдържащо N6 групи и опаковащо експлозивни количества енергия. Докато екипът трябваше да създаде натиск за синтез няколко пъти по-висок от необходимия, за да направи материала полезен извън лабораторията като експлозив или ракетно гориво, експериментът, който ще бъде публикуван днес (21 април 2022 г.) в Nature Chemistry, ни отвежда една крачка по-близо към това, което би било технологично приложимо.
Азотът е в основата на повечето химически експлозиви, от TNT до барута. Причината за това е, че азотният атом има три несдвоени електрона, които се сърбят, за да образуват химически връзки, и комбинирането на два такива атома в молекула N2, в която атомите споделят три електронни двойки, е далеч най-енергийно ефективният начин за надраскване на този сърбеж. Това означава, че съединения с много азотни атоми, ангажирани в други, по-малко енергийно изгодни връзки, винаги са на ръба на експлозивна реакция, която произвежда газ N2.
Микроснимки на нагрети с лазер проби от калиев азид при налягане от 500 000 атмосфери (вляво) и 300 000 атмосфери (вдясно). Белите до светло сини области от външната страна са K1N3. Към центъра материалът се е трансформирал в K2N6 в лявата снимка и мистериозно и слабо разбрано съединение с формула K3(N2)4 вдясно. Кредит: Yu Wang et al./Nature Chemistry
Професор Артем Р. Оганов от Skoltech, който е отговорен за изчисленията в изследването, докладвано в тази история, коментира: „Идеята съществува от дълго време, че чистият азот може да бъде най-добрият химически експлозив, ако се синтезира във форма, която не съдържа N2 молекули. И наистина, предишни изследвания показват, че при налягания от над 1 милион атмосфери, азотът наистина образува структури, където всеки два съседни атома споделят само една електронна двойка, а не три.
Докато такива екзотични азотни кристали със сигурност биха могли да експлодират, връщайки се към познатия тройно свързан газ N2, техният синтез изисква налягания, които са твърде високи за практически приложения. Това кара изследователите да експериментират с други богати на азот съединения, като това, получено за първи път в публикуваното днес проучване, ръководено от Александър Ф. Гончаров от Карнеги.
„Съединението, което синтезирахме, се нарича калиев азид и има формула K2N6. Това е кристал, създаден при налягане от 450 000 атмосфери. Веднъж образуван, той може да продължи при около половината от това налягане“, казва Александър Гончаров, научен сътрудник в института Карнеги във Вашингтон, където е проведен експериментът. „В този кристал азотните атоми се събират в шестоъгълници, където връзката между всеки два съседни азота е междинна между единична и двойна връзка. Структурата на нашето съединение се състои от тези шестоъгълници, редуващи се с отделни калиеви атоми, които стабилизират азотните „пръстени“, които са наистина интересната част.
Учените признават, че новият материал не отговаря на практическите приложения, тъй като необходимото налягане за синтез все още е твърде високо - 100 000 атмосфери би било по-реалистично - но със сигурност представлява стъпка в правилната посока и предлага вълнуващи фундаментални химични прозрения.
„Този нов материал с висока енергийна плътност е друг пример за особената химия на високите налягания“, казва Оганов, добавяйки, че наскоро публикуваното му изследване (прочетете повече), което преработи фундаменталното понятие за електроотрицателност, правейки го приложимо под налягане, е полезна рамка за осмисляне на необичайните богати на азот материали, заедно с други екзотични съединения, обхващащи цялата периодична таблица на елементите.
Справка: „Стабилизиране на хексазинови пръстени в калиев полинитрид при високо налягане“ от Ю Уанг, Максим Биков, Иля Чепкасов, Артем Самцевич, Елена Бикова, Сяо Джан, Шу-цин Цзян, Еран Грийнберг, Стела Харитон, Виталий Б. Пракапенка, Артем Р. Оганов и Александър Ф. Гончаров, 21 април 2022 г., Природна химия.