Compuestos a base de nitrógeno descubiertos como nuevos materiales de alto rendimiento para almacenar energía
"La química de alta presión demuestra la existencia y diversidad de los polinitruros, abriendo perspectivas para sus aplicaciones en ciencia y tecnología"
Investigadores de la Universidad de Bayreuth han sintetizado en condiciones extremas polinitruros de escandio únicos, con una química exótica y aplicaciones potenciales como materiales de alta densidad energética. Sus resultados se publican en la revista "Nature Communications".
Presión de detonación de los polinitruros de escandio de alta presión sintetizados y sus unidades estructurales oligo y polinitrogenadas características, responsables de la propiedad de alta densidad energética de los compuestos.
University of Bayreuth
Los materiales de alta densidad energética (HEDM) son fundamentales en diversas aplicaciones debido a su rendimiento energético superior, que incluye alta velocidad de detonación, presión de detonación y capacidad de almacenamiento de energía. Su aplicación en la exploración espacial como propulsores de cohetes y en defensa como explosivos es de vital importancia para la sociedad moderna. Las propiedades químicas únicas de estos materiales, como la capacidad de almacenar grandes cantidades de energía en un volumen relativamente pequeño, los hacen indispensables para el avance de la tecnología en áreas que requieren potencias elevadas y soluciones compactas de almacenamiento de energía.
Los compuestos nitrogenados son una de las opciones más eficaces para los HEDM. La capacidad del nitrógeno para formar diversos enlaces estables y energéticamente favorables de distinto orden, N-N simple, N=N doble o N≡N triple, permite sintetizar una amplia gama de compuestos con propiedades adaptadas. Los materiales ricos en nitrógeno son capaces de liberar una enorme cantidad de energía durante la descomposición o la combustión (cuando los enlaces simples se sustituyen por triples), lo que los hace muy eficaces como propulsores y explosivos. La descomposición de los compuestos nitrogenados suele dar lugar a la formación de nitrógeno gaseoso (N2), que es un producto estable, inerte y respetuoso con el medio ambiente.
Para dominar los HEDM, el peso molecular es un parámetro muy importante: cuanto más ligeros sean los elementos que forman un sólido, mayor será la densidad gravimétrica de energía del compuesto. Dado que el escandio es el metal de transición más ligero, sus polinitruros (compuestos que contienen numerosos átomos de nitrógeno unidos por un solo enlace) son especialmente prometedores como HEDM, como se predijo en muchos estudios computacionales. Sin embargo, hasta ahora los polinitruros de escandio eran desconocidos.
Investigadores de la Universidad de Bayreuth presentan cuatro nuevos nitruros de escandio: Sc2N6, Sc2N8, ScN5 y Sc4N3. "Las dos nuevas unidades de nitrógeno catenadas N66- y N86- obtenidas en este estudio, amplían significativamente la lista de oligómeros de nitrógeno aniónico que suponen una notable contribución a la comprensión fundamental de la química del nitrógeno a alta presión", afirma el estudiante de doctorado Andrey Aslandukov, primer autor del trabajo.
"Los sólidos Sc2N6, Sc2N8 y ScN5 sintetizados son prometedores materiales de alta densidad energética, con una densidad de energía volumétrica, velocidad de detonación y presión de detonación calculadas hasta 3 veces superiores a las del explosivo común trinitrotolueno (TNT). La química de alta presión demuestra la existencia y diversidad de los polinitruros, abriendo perspectivas para sus aplicaciones en ciencia y tecnología", afirma el profesor Leonid Dubovinsky.
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Publicación original
Andrey Aslandukov, Alena Aslandukova, Dominique Laniel, Saiana Khandarkhaeva, Yuqing Yin, Fariia I. Akbar, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Eleanor Lawrence Bright, Carlotta Giacobbe, Jonathan Wright, Davide Comboni, Michael Hanfland, Natalia Dubrovinskaia, Leonid Dubrovinsky; "Stabilization of N6 and N8 anionic units and 2D polynitrogen layers in high-pressure scandium polynitrides"; Nature Communications, Volume 15, 2024-3-12
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