Российские ученые придумали, как создать сверхмощную взрывчатку
Химики и физики из России и других стран нашли способ создания "идеальной" по всем характеристикам взрывчатки из азота, гафния или хрома. Вещество можно получить при относительно низких давлениях, говорится в статьях, опубликованных в журналах Physical Review B и Journal of Physical Chemistry Letters.
"Эта находка возвращает к одному из святых Граалей в материаловедении, поиску полимерного азота, идеального высокоэнергетического материала. Наша группа подготовила несколько работ, связанных с полинитридами металлов. Как выясняется, это перспективный класс высокоэнергетических веществ, требующих на порядок меньших давлений, чем чистый полимерный азот", — рассказывает Артем Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ.
Все хорошие взрывчатые вещества, в том числе пластид и тротил, содержат в себе азот. При взрыве атомы азота соединяются в исключительно устойчивую молекулу N2, и выделяется большое количество энергии. Чем больше атомов азота в химическом соединении и чем больше необычных связей у них друг с другом или другими атомами, тем больше энергии будет выделяться при взрыве.
По этой причине самым мощным взрывчатым веществом было бы соединение, в котором присутствуют только атомы азота, при взрыве образующие облачко из чистого азотного газа и минимальное количество других соединений. Создание идеальной взрывчатки, которую ученые называют "полимерным азотом", было предсказано американским ученым Кристианом Мейо в начале 90-х.
В 2004 году вещество было получено экспериментально российским физиком Михаилом Еремцом при давлениях свыше миллиона атмосфер, что полностью исключает его практическое применение. С тех пор ученые неоднократно задавались вопросом о том, возможно ли как-то снизить давление полимеризации азота.
Модель нитрида гафния (HfN10)
Оганов и его коллеги нашли выход из этой ситуации в другом недавно открытом классе соединений азота. Как правило, нитриды различных металлов обладают высокой твердостью, и российские ученые просчитывали их свойства на компьютере, пытаясь выделить самые перспективные нитриды, сравнивая их с аналогичными соединениями углерода.
Как оказалось, некоторые виды нитридов, в которых несколько атомов азота особым образом соединены с атомами хрома, циркония или гафния, обладают необычными энергетическими свойствами, похожими на свойства полимерного азота.
Эти вещества, за исключением небольших вкраплений атомов металлов между бесконечными "прядями" из атомов азота, похожи по своей структуре на полимерный азот. При этом они формируются при относительно низких давлениях — около 220 тысяч атмосфер для нитрида гафния и 150 атмосфер для нитрида хрома, что, как отмечает Оганов, в разы меньше давлений, необходимых для получения полимерного азота. Более того, расчеты показывают, что эти вещества могут оставаться в полустабильном состоянии и при комнатных давлениях и температурах.
"В сочетании с другими элементами азот может полимеризоваться при еще меньших давлениях: полинитрид хрома CrN4 можно получать при чуть меньших давлениях, и это едва ли предел. Химики давно мечтают о синтезе полимерного азота в больших количествах. Мы предложили класс соединений, который эту мечту может реализовать", — заключает Оганов.