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 [1] и Цзилиньского [2] университетов (оба — Китай) применили давно и успешно разрабатываемый в Поднебесной алгоритм расчёта кристаллических структур CALYPSO [3] (Crystal structure AnaLYsis by Particle Swarm Optimization). Он основан на методе численной оптимизации «роя» частиц [4], 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 [5], 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 [6] (AIRSS [7]). 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.