Forskare vid University of Bayreuth har syntetiserat unika skandiumpolynitrider under extrema förhållanden, med exotisk kemi och potentiella tillämpningar som material med hög energidensitet.
Material med hög energidensitet (HEDM) är centrala i olika tillämpningar på grund av deras överlägsna energiprestanda, vilket inkluderar hög detonationshastighet, detonationstryck och energilagringskapacitet. Deras tillämpning i rymdutforskning som raketdrivmedel och i försvar som sprängämnen är av avgörande betydelse för det moderna samhället.
De unika kemiska egenskaperna hos dessa material, såsom förmågan att lagra stora mängder energi i en relativt liten volym, gör dem oumbärliga för att utveckla teknologin i områden som kräver hög effekt och kompakta energilagringslösningar.
Kvävehaltiga föreningar är bland de mest effektiva valen för HEDM. Kvävets förmåga att bilda olika stabila och energetiskt gynnsamma bindningar av olika ordning, enkel N-N, dubbel N=N eller trippel N≡N, möjliggör syntes av ett brett spektrum av föreningar med skräddarsydda egenskaper.
Kväverika material kan frigöra en enorm mängd energi under nedbrytning eller förbränning (när enkelbindningar ersätts med trippelbindningar), vilket gör dem mycket effektiva som drivmedel och sprängämnen. Nedbrytningen av kvävehaltiga föreningar resulterar ofta i bildning av kvävgas (N2 ), som är en stabil, inert och miljövänlig produkt.
För att bemästra HEDM:er är molekylvikten en mycket viktig parameter:ju lättare de grundämnen som bildar ett fast ämne, desto högre är föreningens gravimetriska energitäthet. Eftersom skandium är den lättaste övergångsmetallen är dess polynitrider (föreningar som innehåller många enkelbundna kväveatomer) särskilt lovande som HEDM, vilket förutspåddes i många beräkningsstudier. Hittills har dock skandiumpolynitrider varit okända.
Forskare från University of Bayreuth rapporterar om fyra nya skandiumnitrider, Sc2 N6 , Sc2 N8 , ScN5 , och Sc4 N3 , i tidskriften Nature Communications .
"De två nya katenerade kväveenheterna N66- och N86- som erhållits i denna studie, utökar avsevärt listan över anjoniska kväveoligomerer som ger ett anmärkningsvärt bidrag till den grundläggande förståelsen av kvävekemi under högt tryck", säger Ph.D. student Andrey Aslandukov, första författare av tidningen.
"Syntetiserad Sc2 N6 , Sc2 N8 , och ScN5 Fasta ämnen är lovande material med hög energidensitet med beräknad volymetrisk energitäthet, detonationshastighet och detonationstryck som är upp till tre gånger högre än de för vanliga sprängämnen trinitrotoluen (TNT). Högtryckskemi visar existensen och mångfalden av polynitrider, vilket öppnar perspektiv för deras tillämpningar inom vetenskap och teknik", säger prof. Leonid Dubovinsky.
Mer information: Andrey Aslandukov et al, Stabilization of N6 och N8 anjoniska enheter och 2D polykväveskikt i högtrycksskandiumpolynitrider, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46313-9
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Bayreuth University
