Skoltechin, Washingtonin Carnegie-instituutin, Howardin yliopiston, Chicagon yliopiston ja Kiinan tiedeakatemian kiinteän olomuodon fysiikan instituutin tutkijat ovat syntetisoineet K2N6:n, eksoottisen yhdisteen, joka sisältää N6-ryhmiä ja pakkaa räjähtäviä määriä energiaa. Vaikka tiimin täytyi luoda useita kertoja korkeampia synteesipaineita kuin mitä tarvittaisiin, jotta materiaalista tulisi käyttökelpoinen laboratorion ulkopuolella räjähteenä tai raketin ponneaineena, tänään (21.4.2022) Nature Chemistryssä julkaistava koe vie meidät askeleen lähemmäksi. mikä olisi teknisesti soveltuvaa.
Typpi on useimpien kemiallisten räjähteiden ydin, TNT:stä ruutiin. Syynä tähän on se, että typpiatomissa on kolme paritonta elektronia, jotka kutisevat muodostamaan kemiallisia sidoksia, ja kahden sellaisen atomin yhdistäminen N2-molekyyliin, jossa atomeilla on kolme elektroniparia, on ylivoimaisesti energiatehokkain tapa naarmuttaa tuota kutinaa. Tämä tarkoittaa, että yhdisteet, joissa on paljon typpiatomeja, jotka ovat sitoutuneet muihin, energialtaan vähemmän edullisiin sidoksiin, ovat aina räjähdysreaktion partaalla, jolloin syntyy N2-kaasua.
Mikrovalokuvat laserilla kuumennetuista kaliumatsidinäytteistä 500 000 ilmakehän (vasemmalla) ja 300 000 ilmakehän (oikealla) paineissa. Valkoisista vaaleansinisiin alueet ulkopuolella ovat K1N3. Vasemmassa kuvassa materiaali on muuttunut keskustaa kohti K2N6:ksi ja oikealla salaperäiseksi ja huonosti ymmärrettäväksi yhdisteeksi, jonka kaava on K3(N2)4. Luotto: Yu Wang et al./Nature Chemistry
Professori Artem R. Oganov Skoltechista, joka vastasi tässä tarinassa raportoidussa tutkimuksessa laskelmista, kommentoi: "Ajatus on ollut olemassa jo pitkään, että puhdas typpi voisi olla lopullinen kemiallinen räjähdysaine, jos se syntetisoidaan muodossa, joka ei sisällä N2:ta. molekyylejä. Ja todellakin aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että yli miljoonan ilmakehän paineessa typpi muodostaa rakenteita, joissa kahdella vierekkäisellä atomilla on vain yksi elektronipari, ei kolme."
Vaikka tällaiset eksoottiset typpikiteet voivat varmasti räjähtää ja palata tutuksi kolmoissidokseksi N2-kaasuksi, niiden synteesi vaatii paineita, jotka ovat liian korkeita mihinkään käytännön sovelluksiin. Tämä saa tutkijat kokeilemaan muita typpipitoisia yhdisteitä, kuten tänään julkaistussa Carnegien Alexander F. Goncharovin johtamassa tutkimuksessa ensimmäistä kertaa saatua.
”Syntetisoimaamme yhdistettä kutsutaan kaliumatsidiksi ja sen kaava on K2N6. Se on kide, joka on luotu 450 000 ilmakehän paineessa. Kun se on muodostunut, se voi säilyä noin puolessa paineesta", sanoo Alexander Goncharov, Washingtonin Carnegie Institutionin henkilöstötutkija, jossa koe suoritettiin. "Tässä kiteessä typpiatomit kokoontuvat kuusikulmioiksi, joissa kummankin kahden vierekkäisen typen välinen sidos on yhden ja kaksoissidoksen välissä. Yhdistemme rakenne koostuu näistä kuusikulmioista vuorotellen yksittäisten kaliumatomien kanssa, jotka stabiloivat typen "renkaita", jotka ovat todella mielenkiintoinen osa."
Tiedemiehet myöntävät, että uusi materiaali ei sovellu käytännön sovelluksiin, koska vaadittava synteesipaine on edelleen liian korkea – 100 000 ilmakehää olisi realistisempi –, mutta se on varmasti askel oikeaan suuntaan ja tarjoaa jännittäviä peruskemiallisia oivalluksia.
"Tämä uusi korkean energiatiheyden materiaali on toinen esimerkki korkean paineen omituisesta kemiasta", Oganov sanoo ja lisää, että hänen äskettäin julkaistu tutkimuksensa (lue lisää), joka uudisti elektronegatiivisuuden peruskäsitteen tehden siitä käyttökelpoisen paineen alla, on hyödyllinen kehys. ymmärtääkseen epätavallisia typpeä sisältäviä materiaaleja sekä muita eksoottisia yhdisteitä, jotka kattavat koko alkuaineiden jaksollisen taulukon.
Viite: Yu Wang, Maxim Bykov, Ilya Chepkasov, Artem Samtsevich, Elena Bykova, Xiao Zhang, Shu-qing Jiang, Eran Greenberg, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Artem "Heksatsiinirenkaiden stabilointi kaliumpolynitridissä korkeassa paineessa" R. Oganov ja Alexander F. Goncharov, 21. huhtikuuta 2022, Nature Chemistry.