Кислородные бомбы: в Сколтехе нашли мощную альтернативу тротилу
Ученые из Сколтеха исследовали разнообразие молекул, которые могут образовываться из атомов кислорода и углерода. Помимо широко известных углекислого и угарного газов, моделирование обнаружило две сотни экзотических, но относительно стабильных соединений этих двух элементов, многие из которых не были описаны ранее. Этот класс веществ представляет интерес для исследований космоса, аккумуляторных технологий, биохимии и — неожиданным образом — для разработки промышленной взрывчатки и ракетного топлива. Как оказалось, некоторые из открытых веществ при распаде будут высвобождать более 75 процентов взрывной энергии тротила.
Работа опубликована в журнале Materials Today Energy и поддержана Российским научным фондом. Вещества с высокой плотностью энергии — это химические соединения, которые вступают в реакции с выделением большого количества энергии на единицу массы, в том числе взрывчатки и ракетное топливо. Ученые исследуют вещества этого класса в поиске соединений, которые несут в себе больше энергии, чем традиционные азот-содержащие взрывчатые вещества вроде тротила и компоненты топлива типа перхлората аммония. В своей новой работе, посвященной оксидам углерода, или оксокарбонам, ученые из Сколтеха обнаружили взрывную химию, в которой нет ни грамма азота.
«Начнем с того, почему многие вещества с высокой плотностью энергии замешаны на азотной химии. В химических реакциях атомы азота стремятся принять чрезвычайно устойчивую конфигурацию — образовать двухатомную молекулу N₂ газообразного азота. Переход в это энергетически выгодное состояние высвобождает большое количество энергии», — рассказывает первый автор исследования Елизавета Ванеева, студентка магистратуры Сколтеха по программе «Материаловедение».
«И существовало предположение: если известно, что в молекуле угарного газа CO энергия связи даже чуть больше, значит, можно найти соединение, у которого среди продуктов распада есть угарный газ, и такая реакция будет высвобождать еще больше энергии, — продолжает Ванеева. — Оказалось, что некоторые из рассмотренных нами оксидов углерода высвобождают при полном распаде вплоть до 81% энергии тротила, только с выделением углекислого, а не угарного газа».
Научный коллектив столкнулся с целым «молекулярным зоопарком» из 224 оксокарбонов, из которых только 78 описаны в ранее опубликованных исследованиях, а подробно исследованы — и того меньше. В числе прочего нашлось 32 соединения, удовлетворяющих двум условиям: взрывной потенциал и перспектива синтеза. Среди них C₄O₈ и C₄O₉, а также впервые описанные C₆O₁₂ и C₆O₁₃ — все четыре оксида несут в себе не меньше 75% взрывной мощи тротила; рекордный 81% высвобождает молекула C₄O₉.
Графический абстракт исследования: некоторые из возможных соединений углерода и кислорода в порядке увеличения доли кислорода. Ограничение: не более 16 атомов кислорода, от нуля атомов того и другого элемента / © Елизавета Ванеева и другие, Materials Today Energy
Научный руководитель исследования, заслуженный профессор Сколтеха Артем Оганов, который заведует в институте Лабораторией дизайна материалов, поясняет теоретическую значимость работы: «Мы имеем дело с необычной молекулярной химией. Принято считать, что молекулы изучены лучше, чем кристаллы. Но здесь мы видим обратное. Вариативность химического состава кристаллов очень ограничена. Молекулы же, наоборот, демонстрируют большое разнообразие. Тем не менее даже среди молекул не все возможные на бумаге составы будут реализовываться в природе. Мы объяснили почему и предсказали ряд соединений, которые, вероятно, будут найдены».
Предложенное объяснение опирается на идею «магических чисел» из ядерной физики — они соответствуют особо устойчивым конфигурациям атомных ядер. В случае с химическими соединениями «магические» формулы описывают те из них, в которых суммарная энергия связей между атомами в составе молекулы больше, чем у «соседей» — похожих по составу молекул с одним недостающим или одним дополнительным атомом углерода либо кислорода. Именно такие молекулы приводятся в исследовании Сколтеха — будучи относительно стабильными, они имеют повышенную вероятность образования как в природе, так и в лабораторных условиях.
Оксокарбоны имеют потенциал для ряда приложений, в том числе высокотехнологичной энергетики, электродных материалов для литий-ионных батарей, биохимических и космических исследований. Химия этих веществ важна для анализа продуктов сгорания углеводородных видов топлива, таких как керосин, этанол и диметиловый эфир. Предполагается, что оксокарбоны могут быть найдены в межзвездной среде и в атмосферах планет, что делает их объектом астрофизических исследований. Однако пока этот класс веществ остается недостаточно изученным, если не считать классических молекул углекислого и угарного газов и некоторых других. Ученые из Сколтеха сделали шаг к тому, чтобы это исправить.
Telegram 
Дзен 
VK С приходом летней жары кондиционер становится главным спасением в офисе и дома. Однако многие выставляют минимальную температуру, садятся под прямую струю холодного воздуха и забывают о чистке фильтров, а потом удивляются простуде, сухости в горле и огромным счетам за электричество. Можно ли охлаждать помещение эффективно и при этом не навредить здоровью? Оказывается, кондиционер сам дает множество подсказок о том, как им правильно пользоваться, нужно лишь понимать физику его работы и реакцию организма на перепады температур. Объяснил физические принципы работы климатической техники и рассказал о практических правилах безопасности старший преподаватель кафедры физики и технической механики РТУ МИРЭА Николай Зенченко.
Прогулки наедине с природой в абсолютной тишине существенно повышают риск опасного столкновения с дикими животными. К такому выводу пришли британские биологи, проанализировав базу данных почти 3,5 тысячи инцидентов между людьми и крупными зверями.
Ученые использовали квантовые процессоры для расчета поведения атомов внутри жидкой соли, из которой образуется топливо для термоядерного синтеза. Модель с высокой точностью рассчитала химические связи внутри заряженной жидкости. Это поможет инженерам быстрее подобрать состав компонентов для будущих электростанций.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
С приходом летней жары кондиционер становится главным спасением в офисе и дома. Однако многие выставляют минимальную температуру, садятся под прямую струю холодного воздуха и забывают о чистке фильтров, а потом удивляются простуде, сухости в горле и огромным счетам за электричество. Можно ли охлаждать помещение эффективно и при этом не навредить здоровью? Оказывается, кондиционер сам дает множество подсказок о том, как им правильно пользоваться, нужно лишь понимать физику его работы и реакцию организма на перепады температур. Объяснил физические принципы работы климатической техники и рассказал о практических правилах безопасности старший преподаватель кафедры физики и технической механики РТУ МИРЭА Николай Зенченко.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно