I ricercatori di Skoltech, Carnegie Institution di Washington, Howard University, University of Chicago e Chinese Academy of Sciences Institute of Solid State Physics hanno sintetizzato K2N6, un composto esotico contenente gruppi N6 e che contiene quantità esplosive di energia. Mentre il team ha dovuto creare pressioni di sintesi diverse volte superiori a quelle necessarie per rendere il materiale utile al di fuori del laboratorio come esplosivo o propellente per razzi, l'esperimento che sarà pubblicato oggi (21 aprile 2022) su Nature Chemistry ci porta un passo avanti a ciò che sarebbe tecnologicamente applicabile.
L'azoto è al centro della maggior parte degli esplosivi chimici, dal tritolo alla polvere da sparo. La ragione di ciò è che un atomo di azoto ha tre elettroni spaiati desiderosi di formare legami chimici, e combinare due di questi atomi in una molecola N2 in cui gli atomi condividono tre coppie di elettroni è di gran lunga il modo più efficiente dal punto di vista energetico per grattarsi quel prurito. Ciò significa che i composti con molti atomi di azoto impegnati in altri legami energeticamente meno vantaggiosi sono sempre sull'orlo di una reazione esplosiva che produce gas N2.
Microfotografie di campioni di azide di potassio riscaldati al laser a pressioni di 500.000 atmosfere (a sinistra) e 300.000 atmosfere (a destra). Le aree dal bianco all'azzurro all'esterno sono K1N3. Verso il centro, il materiale si è trasformato in K2N6 nella foto a sinistra e in un composto misterioso e poco conosciuto con la formula K3(N2)4 a destra. Credito: Yu Wang et al./Nature Chemistry
Il professor Artem R. Oganov di Skoltech, responsabile dei calcoli nello studio riportato in questa storia, commenta: “Esiste da tempo l'idea che l'azoto puro potrebbe essere l'esplosivo chimico definitivo se sintetizzato in una forma che non contiene N2 molecole. E in effetti, ricerche precedenti hanno dimostrato che a pressioni di oltre 1 milione di atmosfere, l'azoto forma strutture in cui due atomi adiacenti condividono solo una coppia di elettroni, non tre".
Anche se tali esotici cristalli di azoto potrebbero certamente esplodere, tornando al familiare gas N2 a triplo legame, la loro sintesi richiede pressioni troppo elevate per qualsiasi applicazione pratica. Questo porta i ricercatori a sperimentare altri composti ricchi di azoto, come quello ottenuto per la prima volta nello studio pubblicato oggi, guidato da Alexander F. Goncharov della Carnegie.
“Il composto che abbiamo sintetizzato si chiama azide di potassio e ha la formula K2N6. È un cristallo creato a una pressione di 450.000 atmosfere. Una volta formato, può persistere a circa la metà di quella pressione", afferma Alexander Goncharov, uno scienziato del personale della Carnegie Institution di Washington, dove è stato condotto l'esperimento. “In quel cristallo, gli atomi di azoto si assemblano in esagoni, dove il legame tra ciascuno dei due atomi di azoto adiacenti è intermedio tra un singolo e un doppio legame. La struttura del nostro composto è costituita da questi esagoni alternati a singoli atomi di potassio che stabilizzano gli “anelli” di azoto, che sono la parte davvero interessante”.
Gli scienziati ammettono che il nuovo materiale non è all'altezza delle applicazioni pratiche, perché la pressione di sintesi richiesta è ancora troppo alta - 100.000 atmosfere sarebbero più realistiche - ma costituisce certamente un passo nella giusta direzione e offre interessanti spunti di chimica fondamentale.
"Questo nuovo materiale ad alta densità di energia è un altro esempio della chimica peculiare delle alte pressioni", afferma Oganov, aggiungendo che il suo studio recentemente pubblicato (leggi di più), che ha rinnovato la nozione fondamentale di elettronegatività rendendola applicabile sotto pressione, è un quadro utile per dare un senso agli insoliti materiali ricchi di azoto, insieme ad altri composti esotici che coprono l'intera tavola periodica degli elementi.
Riferimento: "Stabilizzazione degli anelli esazinici in polinitruro di potassio ad alta pressione" di 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 e Alexander F. Goncharov, 21 aprile 2022, Nature Chemistry.