Расчеты предсказывают метастабильность восьмиатомного азота
Результаты компьютерных вычислений с использованием модели функционала плотности (DFT), проведенных специалистами из США и Израиля говорят, что при низких температурах азот может образовывать молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которой расположены молекулы N8.
Обнаруженная случайно гипотетическая кристаллическая структура состоит из молекул N8, в которых атомы азота связаны между собой комбинацией одинарных, двойных и тройных связей. Межмолекулярные взаимодействия, возникающие между молекулами N8, позволяют такой структуре оставаться метастабильной в условиях, более мягких, чем требуются для метастабильности других кристаллических форм азота, что в перспективе может найти и практическое применение, например – в системах аккумуляции энергии.
Двухатомная молекула азота, в виде которой он существует в газообразном состоянии, в том числе и в нашей атмосфере, отличается значительной инертностью, поскольку для разрыва тройной связи азот-азот требуется много энергии.
Ранее уже были обнаружены метастабильные формы азота, обладающие большей энергией, наиболее интересной из которых является молекула N4, которая впервые была получена в 2002 году Фульвио Кацаце (Fulvio Cacace) из Университета Сапиенца (Рим) за счет восстановления иона N4+.
Двухатомный азот N2 отличается крайне низкой температурой плавления из-за того, что в его симметричной молекуле нет разделения зарядов, обеспечивающих притяжение одной молекулы к другой. Барак Хиршберг (Barak Hirshberg), Роберт Бенни Гербер (Robert Benny Gerber) и Анна Крылова (Anna Krylov) решили проверить, насколько это справедливо для молекулы N4.
Неожиданно для себя исследователи, в процессе исследования другой молекулы азота, обнаружили структуру, состоящую из восьми атомов азота.
Исследователи использовали компьютерный алгоритм для вычисления энергии кристалла N4, оптимизируя его геометрию для того, чтобы достичь глобального минимума энергии. Неожиданно оптимизация кристаллического состояния привела к структуре, в которой в узлах кристаллической решетки находятся молекулы N8, в которых два центральных атома связаны между собой двойной связью, а связывание остальных реализуется за счет одинарных и тройных связей азот-азот. Немаловажно, что в оптимизированной структуре наблюдается значительное разделение зарядов, которое благодаря кулоновским межмолекулярным взаимодействиям позволяет кристаллической решетке оставаться устойчивой при более высоких температурах. Для проверки результата исследователи начали процесс оптимизации, начав с другой структуры, однако и в этом случае процесс оптимизации привел к структуре N8.
Ионная природа некоторых связей в рассчитанной молекуле может быть причиной увеличения ее устойчивости.
Гербер подчеркивает, что разговоры о потенциале нового соединения бессмысленно вести до того, как оно будет получено экспериментально, и его свойства будут изучены эмпирическим путем. Он отмечает, что рад тому, что теория может делать такие предсказания об электронной структуре и устойчивости этих соединений, однако это не означает, что эти соединения будут простой целью – скорее они станут весьма сложным вызовом для экспериментаторов.
Артем Оганов (Artem Oganov), специалист по компьютерному моделированию свойств материалов отмечает, что полученный результат очень интересен, однако высказывает предположение о том, что из-за особенностей алгоритма оптимизации структура, смоделированная Хиршбергом, Гербером и Крыловой может и не быть самой низкоэнергетической структурой, а просто одной из метастабильных структур с хорошей кинетической стабильностью, а реальный потенциальный минимум соответствует другой структуре.
