Системы гафний-азот и хром-азот, ранее не рассматривавшиеся современной химией, могут стать новыми формулами для производства взрывчатых веществ. Учёные под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артёма Оганова с помощью теоретических методов изучили и обнаружили необычные с точки зрения современной химии соединения: нитрид гафния с химической формулой HfN10 (и его циркониевый аналог ZrN10) и нитрид хрома CrN4.
Структура нитрида гафния с химической формулой HfN10
Безусловно, самым идеальным взрывчатым веществом мог бы быть чистый полимерный азот безо всяких соединений, но его получение требует огромных давлений.
Данная работа показывает, что азот может полимеризоваться (превращаться в высокомолекулярное вещество) при гораздо меньших давлениях в присутствии ионов металлов, что открывает возможности создания новых материалов.
Самая любопытная находка исследователей — химическое соединение с формулой HfN10 (см. рисунок). То есть 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. Такая структура образуется при относительно небольшом давлении: в случае гафния оно равно 0.23 Мбар. По словам профессора Артёма Оганова, «эта находка возвращает к одному из Святых Граалей в материаловедении, поиску полимерного азота, идеального высокоэнергетического материала».
Всё дело в том, что 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 она была получена экспериментально российским учёным Михаилом Еремцом при давлениях свыше миллиона атмосфер, что полностью исключает его практическое применение. С тех пор учёные неоднократно задавались вопросом о том, возможно ли как-то снизить давление полимеризации азота.
— Давление, при котором можно синтезировать высокоэнергетический HfN10, в 5 раз ниже давления, при котором был получен чистый полимерный азот, — говорит Артём Оганов. — 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».