В истории человечества азот давно занимает важное место как основной компонент атмосферы Земли и строительный блок множества биологических молекул. Однако до недавнего времени единственным известным нейтральным молекулярным аллотропом азота являлся динитроген (N2) – бесцветный, крайне стабильный и инертный газ. Благодаря прочным тройным связям он играет ключевую роль в жизни планеты, но его химическая инертность затрудняет использование в качестве высокоэнергетического топлива. Возникает закономерный вопрос – можно ли создать более крупные молекулы азота, которые обладали бы высокой энергией, но при этом были устойчивыми или хотя бы достаточно стабильными для практического применения? Недавние исследования ученых из Университета имени Юстуса Либига в Гиссене, Германия, принесли на этот вопрос положительный ответ, поставив на новую высоту представление о полинитроге́нных соединениях. В рамках опубликованного в 2025 году исследования в журнале Nature была впервые успешно синтезирована нейтральная молекула гексазота – N₆, состоящая из шести атомов азота в линейной цепочке.
Этот прорыв знаменует собой первый случай открытия нового нейтрального аллотропа азота с момента выделения атмосферного динитрогена в XVIII веке. Метод синтеза оказался изящным и новаторским: ученые использовали реакцию газовой фазы с хлором (Cl2) или бромом (Br2) и чрезвычайно реакционноспособным, взрывоопасным твердым азидом серебра (AgN3) при пониженном давлении и комнатной температуре. В процессе азид серебра наносили на внутреннюю поверхность реакционной камеры, через которую пропускали галогеновый газ. В результате реакций формировались продукты, включая новый молекулярный N₆, а также побочные соединения, такие как хлоронитрен (ClN) и гидразоиновая кислота (HN3). Для стабилизации и изоляции нестабильного соединения его помещали в аргоновую матрицу при криогенных условиях, около 10 К, что позволяло избежать немедленного распада и провести дальнейшие измерения.
Структура молекулы оказалась линейной и ацикличной с симметрией C2h. В основе ее формулы лежала цепь из двух азидных фрагментов (N3) и трех атомов азота, связанных посредством двойных и одинарной N-N связей, что обеспечивало минимальную стабильность при сохранении высокоэнергетического потенциала. Разработка способа получения нейтрального N₆ воплотила в жизнь одно из главных ожиданий химиков – создание новых полинитрогеновых молекул, которые обещают стать эффективными энергетическими материалами с высокой плотностью энергии и экологической безопасностью. При разложении такие соединения выделяют значительные объемы энергии с образованием стабильного динитрогена, не создающего вредных выбросов углекислого газа или других парниковых газов. В сравнении с традиционными взрывчатыми и топливными веществами N₆ показывает впечатляющие характеристики по удельной энергии.
Авторы исследования отметили, что его энергетический выход в 2,2 раза превышает показатель тротила (TNT) и вдвое превосходит хорошо известный взрывчатый материал RDX. Эти данные открывают перспективы использования гексазота как основы для новых видов топлива и аккумуляционных устройств с долгим сроком службы и минимальным экологическим следом. Тем не менее молекула N₆ сохраняет высокую реактивность при комнатной температуре с коротким временем полураспада около 35,7 миллисекунд. При криогенных же условиях стабильность возрастает до нескольких десятков лет, что обеспечивает возможность проведения исследований и потенциального технологического применения. Учёные предполагают, что выбранный ими метод синтеза через промежуточные продукты – серебряные галогениды и галогеназиды – позволил впервые обойти ограничения предельной нестабильности больших азотных кластеров.
До настоящего времени полинитрогены с более чем двумя атомами азота встречались исключительно в зарядах или радикалах и не могли быть изолированы в нейтральной форме из-за стремительного распада. Синтез нейтрального N₆ можно рассматривать как знаковое событие в физической химии и материаловедении, поскольку он прокладывает дорогу аналитическому изучению других нейтральных аллотропов, теоретически предсказанных с N4 до N12, но остававшихся недостижимыми в обычных условиях. Получение и детальная характеристика линейного шестиатомного азота предоставляет уникальные данные о молекулярной геометрии, энергии связи и электронных переходах, важные для разработки моделей хранения и высвобождения энергии. Накопленный потенциал полинитрогенов – безопаснее и экологичнее существующих энергетических материалов и топлива – может в будущем привести к революции в энергетике. Перспективы практического применения синтезированных соединений многогранны.
Во-первых, эти материалы могут служить мощными и экологически чистыми источниками энергии для ракетного и авиационного двигателей, где эффективность и безопасность чрезвычайно важны. Во-вторых, возможности тонкого управления энергопотоком при разложении полинитрогенов делают их привлекательными для разработки новых типов аккумуляторов и систем хранения энергии, что особенно актуально в эпоху развития возобновляемых источников. Кроме того, с позиции фундаментальной науки, открытие нейтрального N₆ расширяет границы понимания химических связей и стабильности молекул, создавая базу для синтеза и изучения новых химических форм жизни и веществ. Создание таких сложных молекул требует точных расчетов и координации экспериментов с высокотехнологичным оборудованием, что подтверждает постоянно растущий уровень развития химической науки. Важным аспектом является также экологическая составляющая.
В отличие от углеродных топлив, которые при сгорании выделяют углекислый газ и способствуют усилению парникового эффекта, гексазот и другие полинитрогены при разложении образуют исключительно азот, не наносящий вред атмосфере. Таким образом, разработка синтеза и внедрение таких веществ в промышленность потенциально поможет решать задачи устойчивого развития и борьбы с изменением климата. В заключение можно сказать, что открытие и успешный синтез нейтрального гексазота N₆ служит ярким примером плодотворного взаимодействия теоретической и экспериментальной химии. Это достижение не только поднимает на новый уровень наши знания о азоте и его аллотропах, но и открывает перспективы создания инновационных энергетических материалов с высокой энергоемкостью и экологической безопасностью. Следующие шаги ученых, вероятно, будут направлены на улучшение стабильности полинитрогенов при более высоких температурах и исследование возможностей их масштабного производства.
В мире, где поиск чистых и эффективных источников энергии становится одной из ключевых задач, нейтральный N₆ может стать важнейшим элементом будущих технологий хранения и производства энергии. Его открытие дает повод оптимизма и вдохновения для дальнейших научных исследований и инноваций.
