Международная группа исследователей провела теоретические рачеты, в соответствии с результатами которых при воздействии высокого давления азот может образовать необычную клеткобразную кристаллическую решетку.

Если результаты расчетов будут подтверждены экпериментально, это будет первый устойчивый клеткоподобный материал, полученный не из атомов углерода.

Более того, этот материал будет одним из веществ с исключительно высокой энергетической емкостью.

Исследование, выполненное в группах Цзянь Фу и Яньминь Ма, было основано на применении расчетного алгоритма CALYPSO (Анализ кристаллической структуры за счет оптимизации потока частиц – Crystal structure AnaLYsis by Particle Swarm Optimisation), с помощью которого и изучался полиморфизм азота при высоких давлениях.

Алгоритм CALYPSO идеально приспособлен для решения задач подобного рода. Он дает возможность предсказать строение материала при опледеленном давлении и заданной температуре.

Рис. 1. Графическое отображение рассчитанной
полиморфной структуры (слева) и алмазоподобной
структурой N 10.(справа) (Рисунок из Phys. Rev. Lett.,
2012, 109, 175502, DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.175502

Результаты расчетов позволяют прпедположить, что азот будет образовывать полимер при давлении 263 ГПа и выше. Образующийся при этом полиме должен состоять из повторяющейся элементарной ячейки, состоящей из 10 атомов азота. Исследователи назвали гипртетический материал ‹диамонодоидый азот›. Это название появилось из-за того, что элементарная кристаллическая ячейка в полиморфе, предказанном на основании расчетов, напоминает своим строением состоящую из 10 атомов углерода молекулу адамантана, углеродный скелет которой и можно представить как элементарную кристаллическую ячейку алмаза

Ма отмечает, что предсказанная на основании расчетов структура азота, которую он должен принимать при высоких давлениях, была неожиданностью для исследователей. Для проверки результатов, полученных по алгоритму CALYPSO, исследователи решили проверить возможность существования диамондоидной структуры азота с помощью квантово-химических рачетов, которые подтвердили реализацию очень плотной и устойчивой кристаллической структуры для азота-диамондоида.

Уже давно известно, что молекулярный азот ведет себя необычно при высоких давлениях. Несмотря на прочную тройную связь, для ее разрушения и образования полимерной структуры с гораздо менее прочными одинарными связями N–N требуется достаточно скромное давление в 150 ГПа, в то время как разрушение связей в молекулярном кислороде и молекулярном водороде происходит при давлениях в 1920 и 500 ГПа соответственно. Ма заявляет, что

полимерные формы азота, которые образуются при высоком давлении, представляют большой интерес как перспективные высокоэнергетические материалы, например, для метательных взрывчатых веществ или ракетного топлива. Благодаря существенному различию между энергией одинарной и тройной связи азот-азот, синтез полимерного азота с последующим понижением давления и регенерации молекулярного азота должен приводить к выделению существенного количества энергии.