Полимерный азот – новый экологически чистый материал с рекордным запасом энергии

В отчете представлены результаты исследований и анализа научно-технической литературы и других материалов по проблеме полимерного кристаллического азота как нового экологически чистого материала с рекордным запасом энергии. Дано обоснование уникальных энергетических характеристик полимерного азота и потенциальных возможностей его применения в энергетических установках. Рассмотрены энергетические характеристики химических связей в соединениях азота и проблемы использование азотных материалов с полимерными связями в ракетном топливе. Представлены возможные типы кристаллических структур полимерного азота и их энергетические характеристики. Показано, что удельный запас энергии в полимерном азоте с кристаллической структурой типа "cg-N" в 10 раз выше, чем в гексогене и почти в 13 раз больше, чем в тринитротолуоле. Определены возможные пути решения задачи синтеза полимерного азота и направления исследований. Установлено, что для синтеза rристаллов полимерного азота необходимы экстремальные условия – сверхвысокие давления (до 2-х миллионов атмосфер) и температуры (до 2000 С и выше). Проанализированы параметры синтеза и методы их реализации. Показано, что экстремальные параметры могут быть достигнуты в специальных камерах высокого давления с алмазными наковальнями с применением лазерного нагрева. Технические трудности при проведении экспериментов по получению полимерного азота связаны с трудностью создания сверхвысоких давлений в миниатюрных камерах с объемом, не превышающим несколько десятков кубических микрон, уплотнением алмазных наковален камеры и размещением измерительных датчиков. При работе с микроскопическими образцами особое внимание необходимо уделять методам детектирования и исследования свойств полимерного азота с применением высокочувствительных специализированных установок.Установлено, что в настоящее время наиболее интенсивные исследования в области полимерного азота проводятся в США и Германии. В США в последние 10-15 лет большие капиталовложения на исследования в этой области выделяются, в частности, Министерством Обороны (DoD) и Министерством Энергетики (DOE).Показано, что исследования в области создания полимерного азота имеют в перспективе огромное прикладное значение, поскольку на их базе возможно создание альтернативных источников энергии, которые способны заменить традиционные природные источники энергии, такие как нефть, газ и уголь. Несомненным преимуществом технологий на основе полимерного азота будет их экологическая чистота, поскольку конечным продуктом использования является обычный атмосферный азот. Выполнены патентные исследования по теме «Полимерный азот - новый экологически чистый материал с рекордным запасом энергии» Проведен предварительный отбор патентных и не патентных документов мирового фонда, изучен уровень современного состояния разработок в области создания полимерного азота. Установлено, что среди опубликованных патентных документов отсутствуют документы, в которых патентуются способы получения полимерного азота.

В результате проделанной работы показано, что синтез кристаллов полимерного азота может быть проведен в камере высокого давления при лазерном нагреве исходного материала. Исходным материалом служит газ молекулярного азота. Минимальные величины экстремальных параметров синтеза, определённые в серии экспериментов, имеют следующие значения:
- Давление в камере P = 110 ГПа (1 100 000 атмосфер),
- Температура синтеза T = 2000 K.
Факт образования кристалла полимерного азота зафиксирован рентгеновскими и оптическими методами при следующих значениях параметров:
- Характерные размеры кристалла азота составляют 15-20 микрон.
- Кристалл азота прозрачен в видимой области света.
- Спектры рентгеновской дифракции от синхротронного источника указали на появление внутри камеры высокого давления кристалла азота с кубической структурой типа "кубик-гошь" cg-N (cubic-gauche) с пространственной группой симметрии I213.
- Рамановские спектры комбинационного рассеяния света обнаружили появление нового высокоинтенсивного пика при ~800 см-1, принадлежащего кристаллической структуре азота cg-N типа "кубик-гошь".
Таким образом, из нескольких возможных типов кристаллических структур полимерного азота, предсказанных теоретически, нам удалось синтезировать структуру типа cg-N "кубик-гошь", обладающую уникальными энергетическими характеристиками. Удельный запас энергии в полимерном азоте с кристаллической структурой типа "cg-N" в 10 раз выше, чем в гексогене и почти в 13 раз больше, чем в тринитротолуоле.
- Установлено, что полученное новое вещество является сверхтвёрдым материалом. Объёмный модуль сжатия кристалла находится в диапазоне ~ 300-340 ГПа.
- Химическая связь N-N одинарная ковалентная с энергией связи 160 килоДж/моль.
- Энергонасыщенность материала, определяемая разностью энергий связи в молекулярном и полимерном азоте, составляет около 800 килоДж/ моль.

В отчёте представлен приоритетный фундаментальный результат по синтезу кристаллического полимерного азота с кристаллической структурой типа cg-N "кубик-гошь" (группа симметрии I213). Синтез осуществлен в специализированной камере высокого давления с алмазными наковальнями при давлении P ³ 1.1 Мбар и высокой температуре T ³ 2000 K, полученной при лазерном нагреве.
Исследованы структурные и колебательные свойства полимерного азота методами рентгеновской дифракции и оптической спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света.
Экспериментально изучено уравнение состояния полимерного азота и барическая зависимость энергии фононного возбуждения. Измерен модуль всестороннего сжатия полимерного азота B0 ~ 300 ГПа.
Исследован механизм прямого перехода из молекулярного кристалла азота z-N2 в полимерную фазу cg-N.
Проведена серия экспериментов по сохранению полимерного азота cg-N при нормальных условиях. Показано, что полимерный азот стабилен при комнатной температуре и, по крайней мере, до давления 0.25 Мбар, которое более чем в 4-е раза меньше давления синтеза.
На основе камер высокого давления с алмазными наковальнями и установок с лазерным нагревом разработана методика прямого синтеза полимерного азота cg-N из молекулярной фазы.
На основе рентгеновской дифракции и оптической КР спектроскопии разработаны методы и экспериментальные установки детектирования микроскопических образцов полимерного азота и исследования их свойств.
Предложена программа дальнейших исследований в рамках проблемы полимерного азота – нового экологически чистого материала с рекордным запасом энергии.
Рассмотрены возможности практического применения полимерного азота в случае его синтеза в больших объёмах в промышленных масштабах, как уникального энергетического топлива для сверхзвуковой и ракетной техники, в транспорте и для автономного энергоснабжения бытовых объектов.