Это открытие вновь обращает внимание на одну из важнейших задач в области материаловедения – поиск полимерного азота, представляющего собой перспективный высокоэнергетический материал.
Учёные под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Теоретическими методами Артем Оганов исследовал системы гафний-азот и хром-азот, в результате чего были открыты вещества, представляющие интерес с точки зрения современной химии: нитрид гафния HfN10 (и его аналог на основе циркония ZrN10) и нитрид хрома CrN4. Эти соединения могут быть синтезированы при умеренных давлениях и характеризуются наличием высокоэнергетических кластеров, состоящих из атомов азота.
Полимерный азот, будучи чистым веществом, обладает потенциалом идеального взрывчатого вещества, однако его синтез обычно требует экстремально высокого давления. В данной работе продемонстрировано, что полимеризация азота может происходить при значительно меньших давлениях в присутствии ионов металлов, что позволяет расширить возможности создания новых материалов. Исследователи также спрогнозировали существование ряда других перспективных нитридов гафния, а также нитридов, карбидов и боридов хрома, которые могут обладать уникальными механическими свойствами и найти практическое применение.
Сверхтвёрдые материалы классифицируют на два основных класса: соединения бора, углерода, азота и кислорода, а также соединения переходных металлов с бором, углеродом или азотом. В результате двух одновременных исследований учёные изучили четыре системы: гафний-азот, хром-азот, хром-углерод и хром-бор. В этих системах было выявлено несколько новых материалов, формирующихся при умеренном давлении. Некоторые из них обладают перспективными механическими характеристиками, такими как высокая твёрдость, и сочетаются с высокой электропроводностью.
При нормальном атмосферном давлении карбид Cr2C демонстрирует стабильность, а для ранее известного соединения Cr2N впервые предложена обоснованная структурная модель. Наиболее интересным открытием стало химическое соединение с формулой HfN10 (см. рисунок). Это означает, что в составе данного соединения на каждый атом гафния приходится десять атомов азота, и его структура представляется весьма необычной: атомы гафния располагаются между непрерывными цепями, состоящими из атомов азота. Подобная структура формируется при сравнительно низком давлении, для гафния оно составляет 0.23 Мбар. По словам профессора Артёма Оганова, «это открытие возвращает нас к одной из ключевых задач в материаловедении — поиску полимерного азота, представляющего собой идеальный высокоэнергетический материал».
Суть в том, что все эффективные взрывчатые вещества содержат азот: в процессе взрыва атомы азота формируют стабильную молекулу N2, сопровождающуюся значительным выделением энергии. Количество атомов азота в химическом соединении и сложность их связей с другими атомами напрямую влияют на интенсивность взрыва. Американский учёный Кристиан Мейо предсказал существование полимерной фазы чистого азота в начале 90-х годов, а в 2004 году Михаил Еремцов экспериментально получил её в России при давлении, превышающем миллион атмосфер, что делает невозможным её практическое использование. После этого исследователи неоднократно пытались найти способ уменьшить давление, необходимое для полимеризации азота.
Руководитель научной работы, профессор Артём Оганов: «В нашей группе выполняется ряд работ, посвященных полинитридам металлов. Эти соединения представляют собой перспективный класс высокоэнергетических материалов, для синтеза которых требуются давления, значительно меньшие, чем для чистого полимерного азота. Синтез высокоэнергетического HfN10 осуществим при давлении, в пять раз меньшем, чем давление, необходимое для получения чистого полимерного азота. Комбинирование азота с другими элементами позволяет добиться полимеризации при еще более низких давлениях: полинитрид хрома CrN4, например, синтезируется при чуть меньших давлениях, и, вероятно, это не является абсолютным минимумом. Химики уже давно стремятся к масштабному синтезу полимерного азота. Мы предложили класс соединений, способных воплотить эту мечту в реальность».
В ходе исследования ученые представили две публикации. Автор первой статьи, опубликованной в The Journal of Physical Chemistry Letters, — говорит научный сотрудник Сколтеха Александр Квашинин, являющийся первым автором второй статьи, опубликованной в журнале Physical Review B — Цзинь Чжан, аспирантка Артёма Оганова, обучается в университете Stony Brook (США).