Новый материал с азотом: взрывная энергия без экстремального давления

Можно ли создать мощное взрывчатое вещество без экстремального давления? Учёные подошли к разгадке одной из самых заветных тайн материаловедения — поиску стабильной формы полимерного азота, которая при этом была бы пригодна для практического применения.

Прорыв: нестандартные нитриды

Группа исследователей под руководством профессора Артёма Оганова из Сколтеха и МФТИ сделала удивительное открытие: они предсказали существование необычных соединений в системах гафний-азот и хром-азот.

Среди них — нитрид гафния HfN₁₀ и его аналог ZrN₁₀, а также хромовый нитрид CrN₄. Все они содержат цепочки из атомов азота и формируются при относительно умеренных давлениях.

Особое внимание учёных привлекла структура HfN₁₀: она включает по 10 атомов азота на каждый атом гафния, при этом атомы металла "вшиты" в бесконечные цепочки из азота. Это редчайшее для химии строение формируется уже при 0,23 Мбар — по научным меркам весьма гуманное давление.

"Эта находка возвращает нас к одному из Святых Граалей материаловедения — поиску полимерного азота, идеального высокоэнергетического материала", — комментирует Артём Оганов.

Азот и энергия: что скрыто в молекуле N₂

Азот — один из главных компонентов в составе взрывчатых веществ. Всё дело в том, что при взрыве атомы азота стремятся соединиться в чрезвычайно прочную молекулу N₂, выделяя колоссальное количество энергии. Чем больше азота и нестандартных связей — тем выше энергетический потенциал соединения.

Первые прогнозы о возможности полимерного азота появились ещё в 90-х, а в 2004 году Михаил Еремец получил его экспериментально. Но цена была слишком высока: требовалось давление более миллиона атмосфер. Именно поэтому открытие, позволяющее снизить это значение в 5 раз, так ценно.

Металлы — ключ к синтезу

Новая работа показывает, что в присутствии переходных металлов азот способен полимеризоваться при куда меньших давлениях. Особенно перспективными оказались полинитриды металлов — они не только высокоэнергетичны, но и легче синтезируются.

"Мы предложили целый класс веществ, способных сделать массовый синтез полимерного азота реальностью", — подчёркивает Оганов.

Прочность и проводимость в одном флаконе

Исследования охватили также системы Cr-B и Cr-C, где были обнаружены материалы с интересным сочетанием: высокой твёрдостью и отличной электропроводностью. Например, карбид Cr₂C оказался стабилен даже при атмосферном давлении.

Уточнения

Нитри́ды - соединения азота с менее электроотрицательными элементами, например, с металлами (AlN, TiN_x, Na₃N, Ca₃N₂, Zn₃N₂ и т. д.) и с рядом неметаллов (NH₃, BN, Si₃N₄).