Азот тоже может быть алмазным

Теоретические расчёты показали, что азот в условиях высокого давления будет образовывать клеточные структуры. Если это удастся подтвердить экспериментально, азот станет первым элементом тяжелее углерода, способным образовывать стабильные клеточные материалы, которые к тому же будут обладать чрезвычайно высокой плотностью энергии. Для изучения возможного полиморфизма азота в условиях высокого давления учёные из Линийского и Цзилиньского университетов (оба — Китай) применили давно и успешно разрабатываемый в Поднебесной алгоритм расчёта кристаллических структур CALYPSO (Crystal structure AnaLYsis by Particle Swarm Optimization). Он основан на методе численной оптимизации «роя» частиц, который был изначально предложен для моделирования социального поведения групп. Алгоритм нуждается лишь в данных о химическом составе молекул, чтобы с достаточной точностью предсказать структуру материала в заданных внешних условиях (температура и давление).

Слева — вид сверху на полиморфную расчётную структуру азота; справа — структура алмаза. (Иллюстрация APS.)

Так вот, модель утверждает, что при давлении в 263 ГПа и выше азот будет образовывать необычные полимеры, содержащие повторяющиеся клеточные фрагменты из 10 атомов азота. За сходство с 10-углеродной клеточной структурой адамантана, являющегося по совместительству основной субструктурой алмаза, учёные нарекли новый материал «алмазным азотом». Прямо скажем, итог получился неожиданным. Это понимают и сами исследователи, а потому для подтверждения результатов, полученных в алгоритме CALYPSO, они провели поиск стабильной структуры ab initio (AIRSS). Всё подтвердилось... По словам авторов, рассчитанная структура предполагает очень эффективную атомную упаковку (ну, это мы ещё по твёрдости алмаза знаем).

Заметим, что и до этого исследования за молекулярным азотом признавалась способность к необычному поведению при высоком давлении. Несмотря на экстремально прочную тройную связь, удерживающую атомы азота в молекуле, даже относительно небольшое давление в 150 ГПа вызывает её диссоциацию с образованием полимерных структур с тремя гораздо более слабыми одинарными связями N—N (у каждого атома азота). Для сравнения: подобная диссоциация связей в молекулярном кислороде и водороде происходит при давлении в 1 920 и 500 ГПа соответственно.

Полимерные формы азота, существующие при высоком давлении, представляют интерес как материалы с высокой плотностью энергии, которые могут использоваться в качестве взрывчатых веществ, а также компонентов ракетного топлива — или просто для запасания энергии. Именно благодаря внушительной разнице в энергии между одинарной и тройной связями N—N образование полимерного азота и последующий сброс давления приведут к высвобождению огромного количества энергии и обратному появлению молекулярного двухатомного азота.