在高壓化學的奇特世界中合成蘊藏爆炸能量的化合物

氮氣是大多數(shù)化學爆炸物的核心，從TNT到火藥。其原因是，一個氮原子有三個未成對的電子，它們渴望形成化學鍵，而將兩個這樣的原子結(jié)合在一個N2分子中，其中原子共享三個電子對。這意味著，有大量氮原子參與其他能量不太有利的化學鍵的化合物，總是處于產(chǎn)生N2氣體的爆炸性反應的邊緣。

激光加熱疊氮化鉀樣品在50萬個大氣壓（左）和30萬個大氣壓（右）的壓力下的顯微照片。外面的白色到淺藍色區(qū)域是K1N3。向中間看，在左邊的照片中，該材料已經(jīng)轉(zhuǎn)化為K2N6，而在右邊則是一種神秘的、不為人知的化合物，其化學式為K3（N2）4。

在該研究中負責計算工作的Skoltech的Artem R. Oganov教授評論說。"這個想法已經(jīng)存在了很久，如果以不含N2分子的形式合成，純氮可能是終極化學爆炸物。而事實上，先前的研究表明，在超過100萬個大氣壓的壓力下，氮氣確實形成了任何兩個相鄰原子只共享一個電子對的結(jié)構(gòu)，而不是三個。"

雖然這種奇特的氮氣晶體當然可以爆炸，恢復到熟悉的三鍵氮氣，但它們的合成需要的壓力對任何實際應用來說都太高了。這吸引了研究人員用其他富含氮氣的化合物進行實驗，例如今天發(fā)表的研究中首次獲得的化合物，研究工作由卡內(nèi)基大學的Alexander F. Goncharov領導。

"我們合成的化合物被稱為疊氮化鉀，其公式為K2N6。它是一種在45萬個大氣壓下產(chǎn)生的晶體。一旦形成，它可以在大約一半的壓力下持續(xù)存在，"華盛頓卡內(nèi)基研究所的工作人員科學家亞歷山大-岡察洛夫說，該實驗就是在那里進行的。"在該晶體中，氮原子組合成六邊形，其中每兩個相鄰的氮原子之間的鍵是介于單鍵和雙鍵之間。我們的化合物的結(jié)構(gòu)由這些六邊形組成，與穩(wěn)定氮'環(huán)'的單個鉀原子交替出現(xiàn)，這才是真正有趣的部分。"

科學家們承認，這種新材料離實際應用還有差距，因為所需的合成壓力仍然太高 - 10萬個大氣壓對于現(xiàn)實世界而言可能會更現(xiàn)實，但顯而易見的是它確定了一個正確的研究方向，并提供了令人興奮的基礎化學見解。

奧加諾夫說："這種新的高能量密度材料是高壓下奇特化學的另一個例子，"他補充說，他最近發(fā)表的研究報告（閱讀更多）修改了電負性的基本概念，使其在壓力下適用，這是一個有用的框架，使不尋常的富氮材料以及橫跨整個元素周期表的其他奇特化合物有意義。