Альфред Нобель сначала прославился тем, что изобрел динамит. А уже потом, заработав состояние на производстве динамита, он учредил премию имени себя. На динамите история не остановилась. Химики продолжают изобретать все новые взрывчатые вещества. А российские ученые и вовсе сделали здесь открытие.
Профессор Сколтеха и МФТИ Артём Оганов и руководимая им группа исследователей теоретически изучили химические системы «гафний-азот» и «хром-азот» «хром-углерод» и «хром-бор». Они обнаружили необычные с точки зрения современной химии вещества: нитрид гафния с химической формулой HfN10 (и его циркониевый аналог ZrN10) и нитрид хрома CrN4.
Самая любопытная находка исследователей — химическое соединение с формулой HfN10. На один атом гафния в таком соединении приходится 10 атомов азота, и структура, с точки зрения химии, выглядит очень экзотично: атомы гафния находятся между бесконечными цепочками из атомов азота (на рисунке).
Самое важное: такая структура образуется при относительно небольшом давлении. В случае гафния оно равно 0.23 Мбар. По словам профессора Артёма Оганова, эта находка возвращает ученых к одному из Святых Граалей в материаловедении – поиску полимерного азота, идеального высокоэнергетического материала.
Все хорошие взрывчатые вещества содержат азот. При взрыве атомы азота соединяются в исключительно устойчивую молекулу N2, и выделяется большое количество энергии.
Чем больше атомов азота в химическом соединении и чем больше необычных связей у них друг с другом или другими атомами, тем больше энергии будет выделяться при взрыве.
Впервые полимерная фаза чистого азота была предсказана американским учёным Кристианом Мейо начале 90-х годов. В 2004 году полимерный азот получил экспериментально российский учёный Михаил Еремец при давлениях свыше миллиона атмосфер, что полностью исключает его практическое применение.
С тех пор учёные неоднократно задавались вопросом, можно ли как-то снизить давление полимеризации азота.
Группа химиков под руковдством профессора Оганова показала, азот может полимеризоваться при гораздо меньших давлениях в присутствии ионов металлов, и этот результат открывает возможности для создания новых взрывчатых материалов.
– В нашей группе несколько работ, связанных с полинитридами металлов, – рассказал Аретм Оганов. – Как выясняется, это перспективный класс высокоэнергетических веществ, требующих на порядок меньших давлений, чем чистый полимерный азот. Давление, при котором можно синтезировать высокоэнергетический HfN10, в 5 раз ниже давления, при котором был получен чистый полимерный азот. В сочетании с другими элементами азот может полимеризоваться при ещё меньших давлениях: полинитрид хрома CrN4 можно получать при чуть меньших давлениях, и это едва ли предел. Химики давно мечтают о синтезе полимерного азота в больших количествах. Мы предложили класс соединений, который эту мечту может реализовать.
Авторы предсказали ряд других новых нитридов гафния, а также нитридов, карбидов и боридов хрома, необычные механические свойства которых также могут найти своё применение.
Подробнее результаты этой работы изложены в The Journal of Physical Chemistry Lettersи Physical Review B.