Forskare har länge teoretiserat att energin som lagras i atomiska bindningar av kväve en dag kan vara en källa till ren energi. Men att locka kväveatomerna till att koppla ihop har varit en skrämmande uppgift. Forskare vid Drexel -universitetets C&J Nyheim Plasma Institute har äntligen bevisat att det är experimentellt möjligt - med viss uppmuntran från en flytande plasmagnista.

Rapporteras i Journal of Physics D:Tillämpad fysik , produktionen av rent polymert kväve-polynitrogen-är möjligt genom att zappa en förening som kallas natriumazid med en stråle av plasma mitt i ett superkylande moln av flytande kväve. Resultatet är sex kväveatomer bundna till varandra - en förening som kallas jonisk, eller neutral, kväve-sex-det förutspås vara ett extremt energitätt material.

"Polynitrogen undersöks för användning som en" grön "bränslekälla, för energilagring, eller som ett sprängämne, "sa Danil Dobrynin, Ph.D., en associerad forskningsprofessor vid Nyheim Institute och huvudförfattare till uppsatsen. "Versioner av det har syntetiserats experimentellt-dock aldrig på ett sätt som var tillräckligt stabilt för att återhämta sig till omgivande förhållanden eller i ren kväve-sex-form. Vår upptäckt med flytande plasma öppnar en ny väg för denna forskning som kan leda till ett stabilt polynitrogen . "

Tidigare försök att generera den energiska polymeren har använt högt tryck och hög temperatur för att locka till bindning av kväveatomer. Men ingen av dessa metoder gav tillräckligt med energi för att excitera de nödvändiga jonerna-atombindemedel-för att producera en stabil form av kväve-sex. Och det polymera kvävet som skapades i dessa experiment kunde inte hållas vid ett tryck och en temperatur som var nära det normala, omgivande förhållanden.

Det är ungefär som att försöka limma ihop två tunga föremål men bara vara tillräckligt stark för att pressa ut några droppar lim ur flaskan. För att göra ett band tillräckligt starkt för att hålla ut, det krävs en kraft som är tillräckligt stark för att pressa ut mycket lim.

Den kraften, enligt forskarna, är en koncentrerad jonblast som tillhandahålls av flytande plasma.

Flytande plasma är namnet på utsläpp av ett jontätt ämne som genereras av en pulserad elektrisk gnista som släpps ut i en flytande miljö-ungefär som blixtnedslag i en flaska. Flytande plasmateknik har knappt funnits i ett decennium, men den har redan ett stort löfte. Det var banbrytande av forskare vid Nyheim Institute som har undersökt användningen i en mängd olika applikationer, från sjukvård till matbehandling.

Eftersom plasman är innesluten i vätska är det möjligt att trycksätta miljön, samt att kontrollera dess temperatur. Denna kontrollnivå är den viktigaste fördelen som forskarna behövde för att syntetisera polynitrogen eftersom det tillät dem att mer exakt starta och stoppa reaktionen för att bevara materialet som det producerade. Dobrynin och hans medarbetare rapporterade först om deras framgångsrika försök att producera polynitrogen med hjälp av plasmatömningar i flytande kväve i ett brev i Journal of Physics D:Tillämpad fysik under sommaren.

I deras senaste fynd, plasmagnistan skickade en koncentrerad dusch av joner mot natriumaziden-som innehåller kväve-tre molekyler. Jonerna sprider kväve-tre molekylerna från natrium och, i upphetsat tillstånd, kvävemolekylerna kan binda med varandra. Inte överraskande, reaktionen ger en hel del värme, så för att sätta på bromsarna krävs en otrolig kyla - den som tillhandahålls av flytande kväve.

"Vi tror att detta förfarande var framgångsrikt för att producera rent polynitrogen där andra kom till kort, på grund av densiteten hos inblandade joner och närvaron av flytande kväve som ett släckmedel för reaktionen, "Dobrynin sa." Andra experiment introducerade höga temperaturer och höga tryck som katalysatorer, men vårt experiment var en mer exakt kombination av energi, temperatur, elektroner och joner. "

Vid inspektion med en Raman-spektrometer-ett instrument som identifierar den kemiska sammansättningen av ett material genom att mäta dess reaktion på laserstimulus-producerade det plasmabehandlade materialet avläsningar som överensstämde med de som förutses för rent polynitrogen.

"Detta är ganska signifikant eftersom forskare hittills bara har kunnat syntetisera stabila polynitrogenföreningar i form av salter-men aldrig i en ren kväveform som denna vid nära omgivningsförhållanden, "Dobrynin sa." Ämnet vi producerade är stabilt vid atmosfärstryck i temperaturer upp till cirka -50 Celsius. "

Plasma, i sin ursprungliga gasfyllda miljö, har utvecklats i decennier som en steriliseringsteknik för vatten, mat och medicinsk utrustning och det undersöks också för beläggningsmaterial. Men detta är den första förekomsten av flytande plasma som används för att syntetisera ett nytt material. Så, detta genombrott kan visa sig vara en böjpunkt i plasmaforskning, vid Nyheim Institute och i hela fältet.

"Denna upptäckt öppnar ett antal spännande möjligheter för att producera polymert kväve som bränslekälla, "sa Alexander Fridman, Ph.D., John A. Nyheim Ordförandeprofessor i Drexels tekniska högskola och chef för C&J Nyheim Plasma Institute och medförfattare till uppsatsen. "Den här nya, rent energitätt bränsle kan möjliggöra en ny tid för bilar och masstransporter. Det kan till och med vara det genombrott som är nödvändigt för att tillåta utforskning av avlägsna områden i rymden. "