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Jul 21, 2023

Neue Sprengstoffverbindung aus Strange World of High synthetisiert

Von Skoltech 21. April 2022 Konzept eines Explosionsanimationskünstlers. Forscher von Skoltech, der Carnegie Institution of Washington, der Howard University und der University of Chicago wurden 1890 gegründet

Von Skoltech 21. April 2022

Konzept des Explosionsanimationskünstlers.

Researchers from Skoltech, Carnegie Institution of Washington, Howard University, the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Die Universität Chicago und das Institut für Festkörperphysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben K2N6 synthetisiert, eine exotische Verbindung mit N6-Gruppen und explosiven Energiemengen. Während das Team Synthesedrücke erzeugen musste, die um ein Vielfaches höher waren, als nötig wäre, um das Material außerhalb des Labors als Sprengstoff oder Raketentreibstoff nutzbar zu machen, bringt uns das heute (21. April 2022) in Nature Chemistry veröffentlichte Experiment einen Schritt näher auf das, was technologisch anwendbar wäre.

Nitrogen is at the heart of most chemical explosives, from TNT to gunpowder. The reason for this is that a nitrogen atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Ein Atom hat drei ungepaarte Elektronen, die danach streben, chemische Bindungen einzugehen, und die Kombination zweier solcher Atome in einem N2-Molekül, in dem sich die Atome drei Elektronenpaare teilen, ist bei weitem die energieeffizienteste Art, diesen Juckreiz zu lindern. Das bedeutet, dass Verbindungen mit vielen Stickstoffatomen in anderen, energetisch weniger vorteilhaften Bindungen immer am Rande einer explosiven Reaktion stehen, bei der N2-Gas entsteht.

Mikrofotografien von lasererhitzten Kaliumazidproben bei Drücken von 500.000 Atmosphären (links) und 300.000 Atmosphären (rechts). Die weißen bis hellblauen Bereiche auf der Außenseite sind K1N3. Zur Mitte hin hat sich das Material auf dem linken Foto in K2N6 und auf dem rechten Foto in eine mysteriöse und wenig verstandene Verbindung mit der Formel K3(N2)4 umgewandelt. Bildnachweis: Yu Wang et al./Nature Chemistry

Professor Artem R. Oganov von Skoltech, der für die Berechnungen in der Studie verantwortlich war, über die in dieser Geschichte berichtet wird, kommentiert: „Schon seit langem besteht die Idee, dass reiner Stickstoff der ultimative chemische Sprengstoff sein könnte, wenn er in einer Form synthetisiert wird, die kein N2 enthält.“ Moleküle. Und tatsächlich haben frühere Untersuchungen gezeigt, dass Stickstoff bei Drücken von über einer Million Atmosphären Strukturen bildet, in denen zwei benachbarte Atome nur ein Elektronenpaar und nicht drei teilen.“

Während solche exotischen Stickstoffkristalle sicherlich explodieren und sich in das bekannte dreifach gebundene N2-Gas verwandeln könnten, erfordert ihre Synthese Drücke, die für praktische Anwendungen zu hoch sind. Dies veranlasst Forscher dazu, mit anderen stickstoffreichen Verbindungen zu experimentieren, wie sie zum ersten Mal in der heute veröffentlichten Studie unter der Leitung von Alexander F. Goncharov von Carnegie erhalten wurden.

„Die von uns synthetisierte Verbindung heißt Kaliumazid und hat die Formel K2N6. Es handelt sich um einen Kristall, der bei einem Druck von 450.000 Atmosphären entsteht. Einmal gebildet, kann es bei etwa der Hälfte dieses Drucks bestehen bleiben“, sagt Alexander Goncharov, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Carnegie Institution of Washington, wo das Experiment durchgeführt wurde. „In diesem Kristall ordnen sich die Stickstoffatome zu Sechsecken an, wobei die Bindung zwischen jeweils zwei benachbarten Stickstoffatomen zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung liegt. Die Struktur unserer Verbindung besteht aus diesen Sechsecken, die sich mit einzelnen Kaliumatomen abwechseln, die die Stickstoffringe stabilisieren, die den wirklich interessanten Teil darstellen.“

Die Wissenschaftler geben zwar zu, dass das neue Material nicht für praktische Anwendungen geeignet ist, weil der erforderliche Synthesedruck immer noch zu hoch ist – 100.000 Atmosphären wären realistischer –, aber es stellt auf jeden Fall einen Schritt in die richtige Richtung dar und bietet spannende grundlegende Einblicke in die Chemie.

„Dieses neue Material mit hoher Energiedichte ist ein weiteres Beispiel für die besondere Chemie hoher Drücke“, sagt Oganov und fügt hinzu, dass seine kürzlich veröffentlichte Studie (weiterlesen), die den grundlegenden Begriff der Elektronegativität überarbeitet und ihn unter Druck anwendbar macht, einen nützlichen Rahmen darstellt um die ungewöhnlichen stickstoffreichen Materialien sowie andere exotische Verbindungen aus dem gesamten Periodensystem der Elemente zu verstehen.

Referenz: „Stabilisierung von Hexazinringen in Kaliumpolynitrid bei hohem Druck“ von Yu Wang, Maxim Bykov, Ilya Chepkasov, Artem Samtsevich, Elena Bykova, Xiao Zhang, Shu-qing Jiang, Eran Greenberg, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Artem R. Oganov und Alexander F. Goncharov, 21. April 2022, Nature Chemistry.DOI: 10.1038/s41557-022-00925-0