Учёные из Сколтеха исследовали разнообразие молекул, которые могут образовываться из атомов кислорода и углерода. Помимо широко известных углекислого и угарного газов, моделирование обнаружило две сотни экзотических, но относительно стабильных соединений этих двух элементов, многие из которых не были описаны ранее. Этот класс веществ представляет интерес для исследований космоса, аккумуляторных технологий, биохимии и — неожиданным образом — для разработки промышленной взрывчатки и ракетного топлива. Как оказалось, некоторые из открытых веществ при распаде будут высвобождать более 75% взрывной энергии тротила. Работа опубликована в журнале Materials Today Energy и поддержана Российским научным фондом.

Вещества с высокой плотностью энергии — это химические соединения, которые вступают в реакции с выделением большого количества энергии на единицу массы, в том числе взрывчатки и ракетное топливо. Учёные исследуют вещества этого класса в поиске соединений, которые несут в себе больше энергии, чем традиционные азот-содержащие взрывчатые вещества вроде тротила и компоненты топлива типа перхлората аммония. В своей новой работе, посвящённой оксидам углерода, или оксокарбонам, учёные из Сколтеха обнаружили взрывную химию, в которой нет ни грамма азота.

«Начнём с того, почему многие вещества с высокой плотностью энергии замешаны на азотной химии. В химических реакциях атомы азота стремятся принять чрезвычайно устойчивую конфигурацию — образовать двухатомную молекулу N₂ газообразного азота. Переход в это энергетически выгодное состояние высвобождает большое количество энергии», — рассказывает первый автор исследования Елизавета Ванеева, студентка магистратуры Сколтеха по программе «Материаловедение».

«И существовало предположение: если известно, что в молекуле угарного газа CO энергия связи даже чуть больше, значит, можно найти соединение, у которого среди продуктов распада есть угарный газ, и такая реакция будет высвобождать ещё больше энергии, — продолжает Ванеева. — Оказалось, что некоторые из рассмотренных нами оксидов углерода высвобождают при полном распаде вплоть до 81% энергии тротила, только с выделением углекислого, а не угарного газа».

Научный коллектив столкнулся с целым «молекулярным зоопарком» из 224 оксокарбонов, из которых только 78 описаны в ранее опубликованных исследованиях, а подробно исследованы — и того меньше. В числе прочего нашлось 32 соединения, удовлетворяющих двум условиям: взрывной потенциал и перспектива синтеза. Среди них C₄O₈ и C₄O₉, а также впервые описанные C₆O₁₂ и C₆O₁₃ — все четыре оксида несут в себе не меньше 75% взрывной мощи тротила; рекордный 81% высвобождает молекула C₄O₉.

Научный руководитель исследования, заслуженный профессор Сколтеха Артём Оганов, который заведует в институте Лабораторией дизайна материалов, поясняет теоретическую значимость работы: «Мы имеем дело с необычной молекулярной химией. Принято считать, что молекулы изучены лучше, чем кристаллы. Но здесь мы видим обратное. Вариативность химического состава кристаллов очень ограничена. Молекулы же, наоборот, демонстрируют большое разнообразие. Тем не менее даже среди молекул не все возможные на бумаге составы будут реализовываться в природе. Мы объяснили почему и предсказали ряд соединений, которые, вероятно, будут найдены».

Предложенное объяснение опирается на идею «магических чисел» из ядерной физики — они соответствуют особо устойчивым конфигурациям атомных ядер. В случае с химическими соединениями «магические» формулы описывают те из них, в которых суммарная энергия связей между атомами в составе молекулы больше, чем у «соседей» — похожих по составу молекул с одним недостающим или одним дополнительным атомом углерода либо кислорода. Именно такие молекулы приводятся в исследовании Сколтеха — будучи относительно стабильными, они имеют повышенную вероятность образования как в природе, так и в лабораторных условиях.

Оксокарбоны имеют потенциал для ряда приложений, в том числе высокотехнологичной энергетики, электродных материалов для литий-ионных батарей, биохимических и космических исследований. Химия этих веществ важна для анализа продуктов сгорания углеводородных видов топлива, таких как керосин, этанол и диметиловый эфир. Предполагается, что оксокарбоны могут быть найдены в межзвёздной среде и в атмосферах планет, что делает их объектом астрофизических исследований. Однако пока этот класс веществ остаётся недостаточно изученным, если не считать классических молекул углекислого и угарного газов и некоторых других. Учёные из Сколтеха сделали шаг к тому, чтобы это исправить.