Учёные из Университета Олбани создали новое высокоэнергетическое соединение, которое может произвести революцию в ракетном топливе и повысить эффективность космических полётов. При воспламенении это соединение выделяет больше энергии относительно своего веса и объёма по сравнению с нынешними видами топлива. В ракете это будет означать, что для обеспечения той же продолжительности полёта или полезной нагрузки потребуется меньше топлива, а также больше места для критически важных для миссии грузов. Их [исследование](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04066?ref=pdf) опубликовано в Journal of the American Chemical Society.
«В космических кораблях пространство ограничено, — сказал доцент кафедры химии Майкл Ён, чья лаборатория возглавляла работу. — Каждый дюйм должен быть использован эффективно, и всё на борту должно быть как можно легче. Создание более эффективного топлива с использованием нашего нового соединения будет означать, что для хранения топлива потребуется меньше места, что освободит место для оборудования, включая приборы, используемые для исследований. На обратном пути это может означать, что появится больше места для доставки образцов домой».
Новое синтезированное соединение — диборид марганца (MnB₂) — более чем на 20% энергетически эффективнее по весу и примерно на 150% по объёму по сравнению с алюминием, который в настоящее время используется в твердотопливных ракетных ускорителях. Несмотря на высокую энергетическую эффективность, оно также очень безопасно и воспламеняется только при контакте с таким агентом воспламенения, как керосин.
Структура на основе бора также универсальна; исследования в лаборатории Ёна продемонстрировали её потенциал для создания более долговечных [каталитических конвертеров](https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.202401460) для автомобилей и использования в качестве катализатора для разрушения пластмасс.
Диборид марганца принадлежит к классу химических соединений, которым, как считается, присущи необычные свойства
Однако изучение этих свойств было ограничено невозможностью фактически получить соединение.
«Дибориды впервые привлекли внимание в 1960-х годах, — сказал аспирант Университета Олбани Джозеф Доан, который работает с Ёном. — С тех пор новые технологии позволяют нам фактически синтезировать химические соединения, существование которых когда-то было лишь гипотезой».
«Зная то, что мы знаем об элементах в [периодической таблице](https://phys.org/tags/periodic+table/), мы подозревали, что диборид марганца будет структурно асимметричным и нестабильным — факторы, которые вместе делают его высокоэнергетическим, — но до недавнего времени мы не могли это проверить, потому что его нельзя было получить. Успешное получение чистого диборида марганца — само по себе захватывающее достижение. И теперь мы можем проверить его экспериментально и открыть новые способы его использования».
Синтез диборида марганца требует экстремального нагрева, создаваемого с помощью инструмента, называемого «дуговым плавителем». Первый шаг включает в себя прессование порошков марганца и бора вместе в таблетку, которая помещается в небольшую армированную стеклянную камеру. Дуговой плавитель направляет на таблетку узкий электрический ток, нагревая её до 3 000 °C (более 5 000 °F). Затем расплавленный материал быстро охлаждают, чтобы зафиксировать структуру.
На атомном уровне этот процесс заставляет центральный атом марганца связываться со слишком большим количеством других атомов, создавая слишком плотную структуру, сжатую, как пружина.
Для визуализации молекулярной структуры диборида марганца аспирант Университета Олбани Грегори Джон, работающий с вычислительным химиком Аланом Ченом, создал компьютерные модели. Эти модели выявили нечто важное: тонкую деформацию, которая придаёт соединению его высокий потенциал энергии.
«Наша модель соединения диборида марганца выглядит как поперечное сечение сэндвича с мороженым, где внешние печенья состоят из решётки, состоящей из взаимосвязанных шестиугольников», — сказал Джон. «При внимательном рассмотрении можно увидеть, что шестиугольники не совсем симметричны; они все немного искажены. Это то, что мы называем «деформацией». Измеряя степень деформации, мы можем использовать эту величину как косвенный показатель для определения количества энергии, хранящейся в материале. Эта деформация — место, где хранится энергия».
Интерес Ёна к соединениям на основе бора возник, когда он был аспирантом в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Его проект был направлен на поиск соединений, более твёрдых, чем алмаз.
«Я отчётливо помню, как впервые получил соединение, связанное с диборидом марганца, — сказал Ён. — Я держал в руках новый материал, который должен был быть сверхтвёрдым. Вместо этого он начал нагреваться и приобрёл красивый оранжевый цвет. Я подумал: «Почему он оранжевый? Почему он светится? Он не должен светиться!» Именно тогда я понял, насколько энергетически активными могут быть соединения на основе бора. Я решил изучить это в будущем, и именно над этим мы сейчас и работаем».
Предоставлено [Университетом Олбани](https://phys.org/partners/university-at-albany/)