Mária
-6 °C
-2 °C

Rendkívüli energia a polimer nitrogénben

2004.08.05. 12:25
Felfedezői szerint "megszelídítése" esetén a vegyület energiatárolóként és egyben környezetbarát hajtóanyagként lesz használható. Attól is lehet tartani, hogy a nitrogéngyémánt minden korábbinál pusztítóbb robbanóanyagként végzi.
A levegő közel négyötöd részét kitevő nitrogéngáz rendkívüli mennyiségű energiát tárolni képes változatát fedezték fel a Mainzban működő kémiai kutatások Max-Planck intézetének (MPCH) kutatói. A nitrogénatomok különleges kötési geometriája leginkább a gyémántéra hasonlít.

A levegő fő alkotórésze, a hétköznapinak számító nitrogén (N2) molekulája nehezen bírható rá bármilyen kémiai reakcióra. A két-két atom között húzódó hármas kötés ugyanis rendkívül stabil.

Mindenkinek egy

Az MPCH kutatóinak a világon először sikerült polimer köbös formában nitrogént szintetizálni. Ebben a kockaelv szerint építkező atomos szerkezetben minden nitrogénatom egyszeres kovalens kötéssel kapcsolódik a szomszédaihoz.

#alt#
Polimer köbös rácsstruktúra
Forrás: mpg.de

Az atomos kötések ezen köbös formáját más elem esetében eddig még nem figyelték meg. Rendkívüli tulajdonságai közé tartozik a hihetetlen energiasűrűség, amely ötször magasabb minden eddig ismert hagyományos (nem-nukleáris) robbanóanyagnál.

Régi álom

A tudományág szakértői már két évtizeddel ezelőtt megjósolták, hogy egyszeres kötést használó nitrogénnek is léteznie kell. Az elképzelés az volt, hogy a molekuláris nitrogén nagy nyomáson köbös rácsba rendeződik és atomos szilárd testté áll össze.

Az első ilyen felvetés óta intenzív kutatások folytak az ilyen polimer nitrogén után, különböző hőmérsékleti sávokban, rendkívüli nyomással gyötörve a gázt. Bár felfedezték a nitrogén különböző új fázisait, köztük egy nem molekuláris félvezető fázist, a polimer nitrogén előállítása mostanáig váratott magára.

Átvariált gyémántkamra

Az áttörést a Max-Planck intézet kutatási csoportja érte el. Közvetlenül a hétköznapi kétatomos nitrogént használták, a gázt 2000 Kelvin (1727 Celsius) feletti hőmérsékletnek és 110 GPa (1,1x106 atm) feletti nyomásnak kitéve.

A kutatók ennek során új elrendezésben használták a lézerrel fűtött, gyémántok hegyét nyomólapként használó nagynyomású kamrájukat. A végeredményként előállt átlátszó kristály röntgenes és Raman-spektroszkópiás (fénytörési) vizsgálata igazolta, hogy valóban az előre megjósolt köbös rácstruktúrát alkalmazó polimer nitrogén képződött.

A gyémánt rokona

"A nitrogén új fázisának 300 gigapascalos keménysége (hagyományos Vickers mérőszámra átszámítva: HV 29430) az erős kovalens kötést alkalmazó szilárd testekre jellemző. A kristályt ezért nitrogéngyémántnak nevezzük" - idézte az intézet közleménye Mikhail Eremets, a kutatócsoport egyik tagjának szavait.

A kétatomos nitrogén háromszoros kovalens kötése az egyik legstabilabb kémiai kötés, emlékeztetett Eremets. Ezzel szemben az egyszeres kötéssel polimer hálóba rendeződő nitrogénatomok rendkívüli energiasűrűségű anyagot adnak.

Ez azért lehetséges, mert a nitrogén esetében egyedülállóan nagy az energiakülönbség az egyszeres kötés és a hármas kötés harmada között. Így az egyszeresből a hármas kötésbe átmenet hatalmas mennyiségű energiát szabadít fel, a becslések szerint ötszörösen meghaladva a legveszélyesebb robbanóanyagokat.

Gázként elillan

Mivel az átalakulás egyetlen végterméke a hagyományos, és a természetben szinte korlátlan mennyiségben előforduló nitrogéngáz, a kutatók most annak lehetőségét vizsgálják, hogyan lehetne polimer nitrogént környezetbarát hajtóanyagként illetve robbanóanyagként alkalmazni.

Az első feladat azonban a nitrogén speciális kötésének fenntartása szobahőmérsékleten és alacsony nyomáson, emlékeztetett Mikhail Eremets.