Forscher der Universität Bayreuth haben unter extremen Bedingungen einzigartige Scandiumpolynitride mit exotischer Chemie und potenziellen Anwendungen als Materialien mit hoher Energiedichte synthetisiert.
Materialien mit hoher Energiedichte (HEDMs) sind aufgrund ihrer überlegenen energetischen Leistung, zu der eine hohe Detonationsgeschwindigkeit, ein hoher Detonationsdruck und eine hohe Energiespeicherkapazität gehören, in verschiedenen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Ihr Einsatz in der Weltraumforschung als Raketentreibstoff und in der Verteidigung als Sprengstoff ist für die moderne Gesellschaft von entscheidender Bedeutung.
Die einzigartigen chemischen Eigenschaften dieser Materialien, beispielsweise die Fähigkeit, große Energiemengen in einem relativ kleinen Volumen zu speichern, machen sie unverzichtbar für den technologischen Fortschritt in Bereichen, die hohe Leistungen und kompakte Energiespeicherlösungen erfordern.
Stickstoffhaltige Verbindungen gehören zu den effektivsten Optionen für HEDMs. Die Fähigkeit von Stickstoff, verschiedene stabile und energetisch günstige Bindungen unterschiedlicher Ordnung, einfache NN, doppelte N=N oder dreifache N≡N, zu bilden, ermöglicht die Synthese einer breiten Palette von Verbindungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
Stickstoffreiche Materialien sind in der Lage, bei der Zersetzung oder Verbrennung (wenn Einfachbindungen durch Dreifachbindungen ersetzt werden) große Energiemengen freizusetzen, was sie als Treib- und Sprengstoffe äußerst wirksam macht. Bei der Zersetzung stickstoffhaltiger Verbindungen entsteht häufig Stickstoffgas (N2), ein stabiles, inertes und umweltfreundliches Produkt.
Für die Beherrschung von HEDMs ist das Molekulargewicht ein sehr wichtiger Parameter: Je leichter die Elemente, die einen Feststoff bilden, desto höher ist die gravimetrische Energiedichte der Verbindung. Da Scandium das leichteste Übergangsmetall ist, sind seine Polynitride (Verbindungen mit zahlreichen einfach gebundenen Stickstoffatomen) als HEDMs besonders vielversprechend, wie in vielen Computerstudien vorhergesagt wurde. Allerdings waren Scandiumpolynitride bisher unbekannt.
Forscher der Universität Bayreuth Bericht über vier neuartige Scandiumnitride, Sc2N6, Sc2N8, ScN5 und Sc4N3, in der Zeitschrift Naturkommunikation.
„Die beiden neuartigen verketteten Stickstoffeinheiten N66- und N86-, die in dieser Studie erhalten wurden, erweitern die Liste der anionischen Stickstoffoligomere erheblich, die einen bemerkenswerten Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Stickstoffchemie unter hohem Druck leisten“, sagt Ph.D. Student Andrey Aslandukov, Erstautor der Arbeit.
„Synthetisierte Sc2N6-, Sc2N8- und ScN5-Feststoffe sind vielversprechende Materialien mit hoher Energiedichte, deren berechnete volumetrische Energiedichte, Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsdruck bis zu dreimal höher sind als die der üblichen Sprengstoffe Trinitrotoluol (TNT). Hochdruckchemie demonstriert dies Existenz und Vielfalt von Polynitriden und eröffnet Perspektiven für ihre Anwendungen in Wissenschaft und Technologie“, sagt Prof. Leonid Dubovinsky.
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Andrey Aslandukov et al., Stabilisierung von anionischen N6- und N8-Einheiten und 2D-Polystickstoffschichten in Hochdruck-Scandiumpolynitriden, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46313-9