16.02.2017
ФизТех

Изучение соединений с азотом привело к предсказанию новых взрывчатых материалов

Эта находка возвращает к одному из Святых Граалей в материаловедении, поиску полимерного азота, идеального высокоэнергетического материала.

Изучение соединений с азотом привело к предсказанию новых взрывчатых материалов
Изучение соединений с азотом привело к предсказанию новых взрывчатых материалов

Учёные под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артёма Оганова с помощью теоретических методов изучили системы гафний-азот и хром-азот и обнаружили необычные с точки зрения современной химии вещества: нитрид гафния с химической формулой HfN10 (и его циркониевый аналог ZrN10) и нитрид хрома CrN4. Данные вещества могут быть получены при относительно небольших давлениях и содержат высокоэнергетические группы из атомов азота.

Чистый полимерный азот — потенциально идеальное взрывчатое вещество, но его получение требует огромных давлений; данная работа показывает, что азот может полимеризоваться при гораздо меньших давлениях в присутствии ионов металлов, что открывает возможности создания новых материалов. Авторы предсказали ряд других новых нитридов гафния, а также нитридов, карбидов и боридов хрома, необычные механические свойства которых также могут найти своё применение. 

Сверхтвёрдые материалы можно разделить на два основных класса: соединения бора, углерода, азота и кислорода между собой и соединения переходных металлов с бором, углеродом или азотом. В двух одновременно опубликованных работах учёные суммарно изучили четыре системы: гафний-азот, хром-азот, хром-углерод и хром-бор. В данных системах было обнаружено несколько новых материалов, которые могут образовываться при относительно невысоком давлении. Среди них есть материалы, которые имеют хорошие механические свойства (например, твёрдость) в сочетании с высокой электропроводностью.

В частности, уже при атмосферном давлении должен быть стабильным карбид Cr2C, а для ранее наблюдавшегося соединения Cr2N впервые предложена убедительная структурная модель. 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». 

Изучение соединений с азотом привело к предсказанию новых взрывчатых материалов

Структура нитрида гафния с химической формулой HfN10


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.

Руководитель исследования профессор Артём Оганов: «В нашей группе несколько работ, связанных с полинитридами металлов. 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».

По результатам работы у учёных вышли две публикации. Первый автор одной статьи, опубликованной в The Journal of Physical Chemistry Letters, — научный сотрудник Сколтеха Александр Квашинин, первый автор второй статьи в журнале Physical Review B — Цзинь Чжан, аспирантка Артёма Оганова в университете Stony Brook (США).

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
11 часов назад
Мария Азарова

Все образцы продукции популярных ресторанов быстрого питания, протестированные американскими учеными, содержали один или несколько видов фталатов либо других пластификаторов.

Вчера, 05:30
Мария Азарова

Ученые из Швейцарии и Германии сделали неожиданный вывод: катехины зеленого чая не подавляют окислительный стресс, а способствуют ему. Однако на этом их действие не заканчивается.

Вчера, 17:42
Мария Осетрова

Смоделировав динамику перемещения песчаных дюн в лаборатории, ученые из Кембриджа определили, какие препятствия пропускают дюны сквозь себя, а какие, напротив, их останавливают.

25 октября
Мария Азарова

Американские исследователи оценили вероятность повторного заражения коронавирусами SARS-CoV, HCoV-229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63 и особенно SARS-CoV- 2.

Вчера, 05:30
Мария Азарова

Ученые из Швейцарии и Германии сделали неожиданный вывод: катехины зеленого чая не подавляют окислительный стресс, а способствуют ему. Однако на этом их действие не заканчивается.

11 часов назад
Мария Азарова

Все образцы продукции популярных ресторанов быстрого питания, протестированные американскими учеными, содержали один или несколько видов фталатов либо других пластификаторов.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

18 октября
Елена Синицкая

На днях израильский ныряльщик обнаружил на дне Средиземного моря у Хоф-ха-Кармель древние предметы, среди которых оказался меч удивительной сохранности. По мнению специалистов Израильского управления древностей, железный меч с клинком около одного метра и 30-сантиметровой рукоятью принадлежал крестоносцу и датируется XII веком.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: