Полимерный азот – новый экологически чистый материал с рекордным запасом энергии
Работы должны проводиться в рамках следующих критических технологий: «Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом»; «Технологии водородной энергетики»; «Технологии новых и возобновляемых источников энергии»; «Технологии производства топлив и энергии из органического сырья»; «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии»; «Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных средств». Работы должны соответствовать по предполагаемому исполнению лучшим мировым стандартам. Создаваемый научно-технический задел должен обеспечивать в будущем проведение опытно-конструкторских и технологических работ на конкурентном уровне. Результаты работ должны способствовать дальнейшему инновационному развитию российских технологий в данном приоритетном направлении Программы.
Этапы проекта
- 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.
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.