Výzkumníci ze Skoltech, Carnegie Institution of Washington, Howard University, University of Chicago a Institutu fyziky pevných látek Čínské akademie věd syntetizovali K2N6, exotickou sloučeninu obsahující skupiny N6 a balící výbušné množství energie. Zatímco tým musel vytvořit syntézní tlak několikrát vyšší, než by bylo zapotřebí k tomu, aby byl materiál použitelný mimo laboratoř jako výbušnina nebo raketový pohon, experiment, který má být dnes (21. dubna 2022) zveřejněn v Nature Chemistry, nás přivádí o krok blíž. co by bylo technologicky použitelné.
Dusík je jádrem většiny chemických výbušnin, od TNT po střelný prach. Důvodem je to, že atom dusíku má tři nepárové elektrony, které svědí při vytváření chemických vazeb, a spojení dvou takových atomů v molekule N2, ve které atomy sdílejí tři elektronové páry, je zdaleka energeticky nejúčinnějším způsobem, jak si toto svědění poškrábat. To znamená, že sloučeniny s mnoha atomy dusíku zapojenými do jiných, energeticky méně výhodných vazeb, jsou vždy na pokraji výbušné reakce, při níž vzniká plynný N2.
Mikrofotografie laserem zahřátých vzorků azidu draselného při tlacích 500 000 atmosfér (vlevo) a 300 000 atmosfér (vpravo). Bílé až světle modré oblasti na vnější straně jsou K1N3. Směrem do středu se materiál na levé fotografii přeměnil na K2N6 a na pravé tajemnou a špatně pochopenou sloučeninu se vzorcem K3(N2)4. Kredit: Yu Wang et al./Nature Chemistry
Profesor Artem R. Oganov ze Skoltechu, který byl zodpovědný za výpočty ve studii uvedené v tomto příběhu, poznamenává: „Dlouhou dobu existovala myšlenka, že čistý dusík by mohl být konečnou chemickou výbušninou, pokud by byl syntetizován ve formě neobsahující žádný N2. molekul. A skutečně, předchozí výzkum ukázal, že při tlacích přes 1 milion atmosfér dusík vytváří struktury, kde jakékoli dva sousední atomy sdílejí pouze jeden elektronový pár, nikoli tři."
Zatímco takové exotické krystaly dusíku by jistě mohly explodovat a vrátit se ke známému plynu N2 s trojnou vazbou, jejich syntéza vyžaduje tlaky, které jsou příliš vysoké pro jakékoli praktické aplikace. To vede výzkumníky k experimentům s dalšími sloučeninami bohatými na dusík, jako je ta, která byla poprvé získána v dnes zveřejněné studii, kterou vedl Alexander F. Goncharov z Carnegie.
„Sloučenina, kterou jsme syntetizovali, se nazývá azid draselný a má vzorec K2N6. Je to krystal vytvořený při tlaku 450 000 atmosfér. Jakmile se vytvoří, může přetrvávat při přibližně polovičním tlaku,“ říká Alexander Goncharov, vědecký pracovník Carnegie Institution ve Washingtonu, kde experiment probíhal. „V tomto krystalu se atomy dusíku seskupují do šestiúhelníků, kde vazba mezi dvěma sousedními atomy dusíku je přechodná mezi jednoduchou a dvojnou vazbou. Struktura naší sloučeniny se skládá z těchto šestiúhelníků střídajících se s jednotlivými atomy draslíku, které stabilizují dusíkové ‚kruhy‘, což je opravdu zajímavá část.“
Vědci připouštějí, že nový materiál zaostává za praktickými aplikacemi, protože požadovaný syntézní tlak je stále příliš vysoký – realističtější by bylo 100 000 atmosfér – ale rozhodně představuje krok správným směrem a nabízí vzrušující základní poznatky z chemie.
"Tento nový materiál s vysokou energetickou hustotou je dalším příkladem zvláštní chemie vysokých tlaků," říká Oganov a dodává, že jeho nedávno publikovaná studie (čtěte více), která přepracovala základní představu o elektronegativitě a učinila ji použitelnou pod tlakem, je užitečným rámcem. pro pochopení neobvyklých materiálů bohatých na dusík spolu s dalšími exotickými sloučeninami pokrývajícími celou periodickou tabulku prvků.
Odkaz: „Stabilizace hexazinových kruhů v polynitridu draselného za vysokého tlaku“ od Yu Wang, Maxim Bykov, Ilya Chepkasov, Artem Samtsevich, Elena Bykova, Xiao Zhang, Shu-qing Jiang, Eran Greenberg, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Artem R. Oganov a Alexander F. Goncharov, 21. dubna 2022, Nature Chemistry.