Investigadores descubren material estable de alta energía

16.10.2019 - Alemania

Para los viajes espaciales de larga distancia en todo el mundo se buscan materiales de alta energía que puedan almacenar grandes cantidades de energía química y liberarla cuando sea necesario. Los compuestos de nitrógeno en los que varios átomos de nitrógeno están unidos por enlaces simples poseen esta habilidad. Estos compuestos son difíciles de sintetizar porque son extremadamente inestables. Científicos de la Universidad de Bayreuth han descubierto un nuevo polinitrógeno bajo presiones y temperaturas extremadamente altas que permanece estable en condiciones ambientales normales.

El equipo de Bayreuth, bajo la dirección del Dr. Dominique Laniel, ha almacenado una mezcla de magnesio metálico (Mg) y nitrógeno (N₂) en una celda con sello de diamante. La mezcla fue sometida a una temperatura de 2.000 Kelvin (más de 1.700 grados centígrados) y una presión de 50 Gigapascal. Esta presión corresponde a 500.000 veces la presión de la atmósfera terrestre. Bajo las condiciones extremas de presión y temperatura, se formaron cristales muy inusuales de magnesio y nitrógeno, como se demostró en experimentos realizados en la fuente de rayos X PETRA III del Sincrotrón Electrónico Alemán (DESY) en Hamburgo. Entre otras cosas, los investigadores descubrieron cristales con la fórmula de suma Mg₂N₄, que están compuestos de cationes de magnesio (Mg²⁺) y aniones de nitrógeno (N₄⁴-). Estas moléculas de nitrógeno son polinitrógenos homogéneos: cuatro átomos de nitrógeno están unidos por enlaces simples y forman una estructura en forma de herradura. Estos polinitrógenos nunca antes han sido sintetizados, ni por técnicas de alta presión ni por procesos químicos convencionales.

"Nos sorprendió encontrar que estos aniones de nitrógeno incrustados en las estructuras cristalinas permanecen estables a una presión atmosférica normal y a temperaturas ambiente. La molécula N₄⁴ es sólo el cuarto polinitrógeno conocido, y hasta ahora es el único que sólo puede ser producido por métodos de alta presión", dice el Dr. Dominique Laniel. Los investigadores de Bayreuth confían en que se pueda desarrollar un método para la síntesis de polinitrógenos que consista únicamente en nitrógeno. Además, existe un material de alta energía que resulta muy atractivo para una gran variedad de aplicaciones industriales y, sobre todo, como fuente de energía para los viajes espaciales de larga distancia. "Si está buscando combustible para volar a Marte, debería echar un vistazo a los polinitrógenos en el futuro", dice la Prof. Dra. Natalia Dubrovinskaia del Laboratorio Bayreuth de Cristalografía.

Sin embargo, todavía hay que superar un obstáculo decisivo para estas aplicaciones: Hasta la fecha, los cristales de magnesio-nitrógeno que contienen los aniones de nitrógeno de alta energía sólo pueden producirse en cantidades muy pequeñas bajo presiones y temperaturas extremas en el laboratorio. Todavía no se ha desarrollado un proceso de síntesis a escala industrial. "Sin embargo, es muy posible que los cristales estables producidos en nuestros experimentos de alta presión sean adecuados como planos para ser reproducidos algún día utilizando otros métodos técnicamente menos sofisticados. En este sentido, la investigación experimental de alta presión está haciendo un trabajo pionero en la búsqueda de materiales de alta energía", dice Laniel. "Con los resultados de la investigación que ahora se publican en Nature Communications, la puerta está abierta a la utilización de métodos de investigación de alta presión para producir nuevos materiales de alta energía que aún no sabemos que pueden existir", añade el Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky de BGI.

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