Fra en sky af kulde og en gnist, forskere skaber og stabiliserer rent polymert nitrogen for første gang

Forskere har længe teoretiseret, at den energi, der er lagret i atombindingerne af nitrogen, en dag kunne være en kilde til ren energi. Men at lokke nitrogenatomerne til at forbinde sig har været en skræmmende opgave. Forskere ved Drexel Universitys C&J Nyheim Plasma Institute har endelig bevist, at det er eksperimentelt muligt - med en vis opmuntring fra en flydende plasmagnist.

Rapporteret i Journal of Physics D:Anvendt fysik , produktionen af ​​rent polymert nitrogen - polynitrogen - er muligt ved at zappe en forbindelse kaldet natriumazid med en plasmastråle midt i en superkølende sky af flydende nitrogen. Resultatet er seks nitrogenatomer bundet sammen - en forbindelse kaldet ionisk, eller neutral, nitrogen-seks - det forventes at være et ekstremt energitæt materiale.

"Polynitrogen er ved at blive udforsket til brug som en 'grøn' brændstofkilde, til energilagring, eller som sprængstof, " sagde Danil Dobrynin, Ph.D., en tilknyttet forskningsprofessor ved Nyheim Institute og hovedforfatter af papiret. "Versioner af det er blevet eksperimentelt syntetiseret - dog aldrig på en måde, der var stabil nok til at komme sig til omgivelsesbetingelser eller i ren nitrogen-seks form. Vores opdagelse ved hjælp af flydende plasma åbner en ny vej for denne forskning, der kan føre til et stabilt polynitrogen ."

Tidligere forsøg på at generere den energiske polymer har brugt højt tryk og høj temperatur for at lokke til binding af nitrogenatomer. Men ingen af ​​disse metoder gav nok energi til at excitere de nødvendige ioner - atomare bindemidler - til at producere en stabil form for nitrogen-seks. Og det polymere nitrogen, der blev skabt i disse eksperimenter, kunne ikke holdes ved et tryk og en temperatur tæt på det normale, omgivende forhold.

Det svarer til at prøve at lime to tunge genstande sammen, men kun være stærk nok til at presse et par dråber lim ud af flasken. For at gøre et bånd stærkt nok til at holde, det kræver en kraft, der er stærk nok til at presse en masse lim ud.

Den kraft, ifølge forskerne, er en koncentreret ionblast tilvejebragt af flydende plasma.

Flydende plasma er navnet på en emission af et ion-tæt stof genereret af en pulserende elektrisk gnist afladet i et flydende miljø - lidt som et lyn i en flaske. Flydende plasma-teknologi har knapt eksisteret i et årti, selvom den allerede lover en hel del. Det blev udviklet af forskere ved Nyheim Instituttet, som har udforsket brugen i en række forskellige applikationer, fra sundhedspleje til madbehandling.

Fordi plasmaet er indkapslet i væske, er det muligt at sætte miljøet under tryk, samt styre dens temperatur. Dette niveau af kontrol er den vigtigste fordel, som forskerne havde brug for for at syntetisere polynitrogen, fordi det gav dem mulighed for mere præcist at starte og stoppe reaktionen for at bevare det materiale, det producerede. Dobrynin og hans samarbejdspartnere rapporterede først deres vellykkede forsøg på at producere polynitrogen ved hjælp af plasmaudledninger i flydende nitrogen i et brev i Journal of Physics D:Anvendt fysik over sommeren.

I deres seneste resultater, plasmagnisten sendte en koncentreret byge af ioner mod natriumazidet - som indeholder nitrogen-tre-molekyler. Ioneksplosionen spalter nitrogen-tre molekyler fra natrium og, i ophidset tilstand, nitrogenmolekylerne kan binde sig til hinanden. Ikke overraskende, reaktionen producerer en god smule varme, så at sætte bremserne på den kræver et utroligt kuldeblæs – den, der leveres af flydende nitrogen.

"Vi mener, at denne procedure var vellykket til at producere rent polynitrogen, hvor andre kom til kort, på grund af tætheden af ​​involverede ioner og tilstedeværelsen af ​​flydende nitrogen som et quenchingmiddel for reaktionen, " sagde Dobrynin. "Andre eksperimenter introducerede høje temperaturer og høje tryk som katalysatorer, men vores eksperiment var en mere præcis kombination af energi, temperatur, elektroner og ioner."

Ved inspektion med et Raman-spektrometer - et instrument, der identificerer den kemiske sammensætning af et materiale ved at måle dets respons på laserstimulus - producerede det plasmabehandlede materiale aflæsninger, der var i overensstemmelse med dem, der blev forudsagt for rent polynitrogen.

"Dette er ret betydningsfuldt, for indtil nu har forskere kun været i stand til at syntetisere stabile polynitrogenforbindelser i form af salte - men aldrig i en ren nitrogenform som denne ved nær-omgivelsesforhold, " sagde Dobrynin. "Det stof, vi producerede, er stabilt ved atmosfærisk tryk i temperaturer op til omkring -50 Celsius."

Plasma, i dets oprindelige gasfyldte miljø, har været under udvikling i årtier som en steriliseringsteknologi til vand, fødevarer og medicinsk udstyr, og det er også ved at blive udforsket for belægningsmaterialer. Men dette er det første tilfælde, hvor flydende plasma bliver brugt til at syntetisere et nyt materiale. Så, dette gennembrud kan vise sig at være et vendepunkt i plasmaforskningen, på Nyheim Instituttet og i hele feltet.

"Denne opdagelse åbner en række spændende muligheder for at producere polymert nitrogen som brændstofkilde, " sagde Alexander Fridman, Ph.D., John A. Nyheim Formand professor ved Drexel's College of Engineering og direktør for C&J Nyheim Plasma Institute og medforfatter af papiret. "Denne nye, rent energitæt brændstof kunne muliggøre en ny tidsalder for biler og massetransport. Det kunne endda være det nødvendige gennembrud for at tillade udforskningen af ​​fjerntliggende områder i rummet."