Открытие нового аллотропа азота
Азот наконец-то присоединился к элитному ряду элементов, таких как углерод, которые могут образовывать нейтральные аллотропы — различные структурные формы одного химического элемента. Исследователи из Университета Юстуса Либиха в Гиссене, Германия, синтезировали нейтральный гексаазот (N₆) — первый нейтральный аллотроп азота со времён открытия природного двухатомного азота (N₂) в XVIII веке. Гексаазот стабилен при криогенных температурах и может быть получен при комнатной температуре.
Описание исследования
Новое исследование, [опубликованное](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09032-9) в журнале Nature, описывает синтез гексаазота (N₆) в газовой фазе. Основными ингредиентами являются хлор (Cl₂) или бром (Br₂) и чрезвычайно реактивное и взрывоопасное твёрдое вещество — азид серебра (AgN₃) — при пониженном давлении.
Исследователи нанесли AgN₃ на внутреннюю поверхность, и газообразный галоген (Cl₂ или Br₂) пропустили через твёрдое вещество при пониженном давлении и комнатной температуре. В результате реакции, запущенной этим процессом, помимо побочных продуктов — хлоронитрина (ClN) и азотистоводородной кислоты (HN₃) — был получен N₆.
Молекулы были затем помещены в матрицы аргона — инертную матрицу твёрдого аргона — при криогенных условиях (10 кельвинов) для стабилизации и изоляции высокореактивного N₆.
Перспективы использования
Молекулярные формы азота являются многообещающими в качестве углеродно-нейтральных материалов с высокой плотностью энергии. При разложении они выделяют большое количество энергии, распадаясь до стабильной формы N₂ — нетоксичного инертного газа, в отличие от обычных видов топлива, которые производят парниковые газы, такие как CO₂.
Однако N₂ — единственный природный аллотроп азота, который из-за своей инертности, обусловленной исключительно сильными тройными связями, непригоден для использования в качестве топлива.
Сложности синтеза
В течение десятилетий учёные пытались синтезировать более крупные нейтральные молекулы азота в качестве энергетических материалов, но безуспешно из-за чрезвычайно нестабильной природы полиазотных молекул.
Предыдущие исследования обнаружили азидный радикал (-N₃) и N₄ с помощью спектроскопии, но их структура оставалась загадкой. Теоретически структуры от N₄ до N₁₂ были предсказаны, но ни одна из них не была экспериментально изолирована, поскольку они считались слишком нестабильными.
Структура гексаазота
Это исследование нарушило тенденцию, не только успешно синтезировав нейтральную молекулу N₆, но и определив её линейную, ациклическую структуру с симметрией C₂h. Молекула состоит из цепочки из шести атомов азота, где две азидные (N₃) группы и три атома азота удерживаются вместе двойными связями, соединёнными одной N–N-связью в центре.
Механизм, вероятно, включал двухступенчатую газофазную реакцию. Сначала газообразный Cl₂ или Br₂ реагировал с азидом серебра с образованием галогенида серебра (AgX, где X = Cl или Br) и азида галогена (XN₃). Азид галогена, образованный на первом этапе, реагировал с другой молекулой азида серебра с образованием галогенида серебра и гексаазота (N₆).
Гексаазот, полученный при комнатной температуре, оставался стабильным при криогенных температурах, что позволило исследователям выделить его в виде чистой плёнки при 77 К — температуре, при которой азот становится жидким. Расчёты показали, что молекула имела период полураспада 35,7 миллисекунды при комнатной температуре и более 132 лет при криогенных условиях.
Исследователи также обнаружили, что N₆ при разложении выделяет исключительное количество энергии — в 2,2 раза больше на единицу массы, чем известный взрывчатый ТНТ, и вдвое больше, чем RDX.
Они подчёркивают, что получение метастабильного молекулярного аллотропа азота помимо N₂ не только продвигает фундаментальное научное понимание, но и имеет потенциал для будущих применений в области хранения энергии.