تمكن فريق من الباحثين من تحقيق خطوة مهمة في مجال علوم المواد والهندسة الميكانيكية بتوليف مركب بوليمري جديد يحتوي على النيتروجين والهيدروجين تحت ضغوطٍ شديدة. يظهر هذا المركب قدرة مذهلة على الاستقرار بفضل الروابط الهيدروجينية التي تربط شبكاته البنائية، مما يفتح آفاقًا جديدة لدراسة المواد ذات الكثافة الطاقية العالية.
تحديات ودوافع تطوير مركبات النيتروجين البوليمرية
تتميز مركبات النيتروجين البوليمرية بإمكانيتها الكبيرة لتخزين الطاقة نتيجة للتحول الكيميائي من روابط أحادية إلى روابط ثلاثية بين ذرات النيتروجين، وهو ما ينتج عنه إطلاق طاقة هائلة. هذا يجعلها مواد واعدة في مجالات مثل تقنيات الدفع والأنظمة الحرارية المتقدمة.
مع ذلك، يواجه تطوير هذه المركبات تحديات كبيرة تتمثل في الحاجة لضغوط مرتفعة جدًا أثناء التصنيع، وصعوبة الحفاظ على استقرارها البنيوي عند تخفيف الضغط بعدها. لقد اقترحت الدراسات السابقة أن إدخال ذرات الهيدروجين يمكن أن يسهم في تثبيت هذه الهياكل عبر تفاعل الروابط الهيدروجينية مع المواقع التفاعلية ضمن الشبكة البوليمرية.
توليف وتحليل الهيكل تحت ضغط عالٍ جدًا
اعتمد الباحثون على أجهزة Diamond Anvil Cells (DACs) لضغط خليط من غازي النيتروجين والهيدروجين إلى أكثر من 130 جيجا باسكال، مع تسخين ليزري مستهدف لتحفيز التفاعلات الكيميائية. نجحوا بذلك في إنتاج مركب N3H2 بوليمري جديد، حيث كان التشكيل ممكنًا فقط بين 134 و139 جيجا باسكال.
تم استخدام تقنيات متقدمة للقياس مثل Single-Crystal X-ray Diffraction (SCXRD) باستخدام مصادر إشعاع السنكروترون، إلى جانب رصد طيف Raman لتحليل الروابط الكيميائية والحركة الذرية. وقد أُكملت هذه الدراسات بمحاكاة نظرية تعتمد على Density Functional Theory (DFT) وتقنية البحث الهيكلي العشوائي Airss، ما أتاح الكشف الدقيق عن بنية المركب وخواصه الإلكترونية والميكانيكية.
هيكلية المركب ودور الروابط الهيدروجينية
أظهرت النتائج أن المركب يحتوي على شبكات نيتروجين مكونة من حلقات سداسية (N6) بترتيب يذكّر بشكل “كرسي”، تتصل هذه الحلقات بسلاسل خطية على طول محور البلورة. يرتبط كل ذرة نيتروجين بأربعة روابط مما يشير إلى تهجين من نوع sp3.
تلعب الروابط الهيدروجينية دوراً محورياً في تثبيت هذه السلاسل عبر ربط وحدات N6H4 بين بعضها البعض، بحيث تتكون شبكة ثلاثية الأبعاد مشتركة من ثمانية روابط هيدروجينية لكل وحدة. وتمكن الباحثون لأول مرة من تحديد مواقع ذرات الهيدروجين عبر بيانات حيود الأشعة السينية تحت ضغط 139 جيجا باسكال، رغم ضعف تشتت الأشعة الذرية للهيدروجين.
الخصائص الميكانيكية والكهربائية وإمكانات الطاقة
وفقا لحسابات DFT، يمتلك المركب فجوة إلكترونية عرضها حوالي 3.75 إلكترون فولت تحت الضغط العالي، مما يشير إلى خاصية عازلة. ويبلغ المودول الحجمي (Bulk modulus) للمادة نحو 31 جيجا باسكال، مما يعني أن تركيبها أقل صلابة من النيتروجين البوليمري النقي.
وتشير التقديرات إلى أن مركب N3H2 يتمتع بطاقة تحلل حرارية تصل إلى 7.98 كيلو جول لكل غرام عند الضغط الجوي، متفوقًا بذلك على مكافئاته المعروفة مثل TNT وHMX، ويُعزى ذلك إلى التفاعل الذي يحول البوليمر إلى غاز النيتروجين والأمونيا.
الاستقرار عبر نطاقات الضغط المختلفة
تم رصد المركب أثناء تقليل الضغط وصولاً إلى مستويات منخفضة باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية ورصد الطيف الراماني، حيث أظهرت النتائج عدم وجود تحولات في الطور أو تحطم الهيكل، مما يدل على ثباته في نطاق ضغوط يصل إلى 26 جيجا باسكال.
أظهرت الحسابات النظرية أن N3H2 مستقر من الناحية الطاقية فوق 100 جيجا باسكال، ويتحول إلى أطوار أخرى عند تخفيف الضغط. كما تشير دراسة الاتزان الديناميكي للشبكة البلورية إلى هشاشة الروابط الهيدروجينية والنيتروجينية على الضغط الجوي، ما يفسر صعوبة استعادة المركب دون فقدان بنيته.
آفاق وتطبيقات مستقبلية
تمثل هذه الدراسة دليلًا عمليًا على قدرة الهيدروجين على تثبيت بنى بوليمرية للنيتروجين في بيئات ضغط مرتفعة جدًا، مع إمكانية توسيع مراقبة الذرات الخفيفة مثل الهيدروجين باستخدام تقنيات سينكروترونية متقدمة. وهذا يفتح آفاقًا لدراسة مواد خفيفة جديدة قد تستخدم في المجالات الميكانيكية المتقدمة مثل تصنيع مواد دفع احتراق صديقة للبيئة أو مكونات أنظمة تصنيعية عالية الطاقة.
على المستوى النظري، هناك اهتمام بتحسين قدرة هذه المواد على الاحتفاظ بهياكلها عند تخفيف الضغط، حيث يقترح الباحثون البحث في تفاعلات أقوى من الروابط الهيدروجينية لتحقيق ذلك. كما قد يكون للمركبات الهيدروجينية-النيتروجينية دور في فهم المواد في باطن الكواكب الجليدية ذات الظروف الحرارية والضغطية القاسية.
المصدر: موقع AZoM
📚 مقالات ذات صلة
اكتشاف المزيد من Mohdbali
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
تطبيقاتنا على أندرويد
