يتم ضغط النيتروجين لإنتاج مواد غنية بالطاقة

أفاد باحثون من المختبر الجيوفيزيائي التابع لمعهد كارنيجي عن تغيرات في درجة حرارة ذوبان النيتروجين الصلب عند ضغط 120 جيجا باسكال (أكثر من مليون ضغط جوي) وعند درجة حرارة 2200 درجة مئوية

تفضل ذرات النيتروجين الوجود كأزواج، ترتبط معًا بواحدة من أقوى الروابط الكيميائية في الطبيعة. ومن خلال تعريض مركبات النيتروجين لدرجات حرارة وضغوط شديدة، تمكن العلماء من الحصول على رؤى جديدة ليس فقط حول هذا المركب ولكن أيضًا حول مركبات مماثلة، مثل الهيدروجين.

في العدد الإلكتروني الحالي من مجلة Physical Review Letters، أفاد باحثون من المختبر الجيوفيزيائي التابع لمعهد كارنيجي عن التغيرات في درجة حرارة ذوبان النيتروجين الصلب عند ضغط 120 جيجاباسكال (أكثر من مليون ضغط جوي) وعند درجة حرارة 2200 درجة مئوية.

هذه النتائج، بالإضافة إلى التغيرات الواضحة في بنية النيتروجين الصلب عند الضغط العالي، يمكن أن تؤدي إلى أنواع مبتكرة مستقبلية من الوقود المعتمد على النيتروجين أو الهيدروجين مع محتوى عالي الطاقة. يمكن أن تؤدي بوليمرات النيتروجين النظرية إلى مواد ذات محتوى طاقة أعلى من أي مادة أخرى معروفة.

وقام الباحثون من معهد كارنيجي وزملاؤهم من مختبر لورانس ليفرمور الوطني بضغط النيتروجين السائل في جهاز يعرف باسم "خلية السندان الماسية" التي تنتج ضغوطا هائلة عن طريق ضغط العينة بين حجري ألماس عالي الجودة. وبما أن الماس شفاف بالنسبة لمعظم الأطوال الموجية للضوء المرئي، فيمكن تسخين العينة أثناء التجربة باستخدام الليزر. تستخدم الطريقة المعروفة باسم مطيافية رامان الإشعاع المنبعث من العينة الساخنة لتشخيص وتحديد التغيرات في تركيبها الجزيئي عند حدوثها.

يقول الباحث الرئيسي: "حتى الآن، لم يقم أي باحث بإجراء ملاحظات في موقع الحدث نفسه فيما يتعلق بسلوك النيتروجين في ظل هذه الظروف القاسية من درجة الحرارة والضغط". "إن قياساتنا المتعلقة بقيم الانصهار وخصائص اهتزاز السائل، كما حصل عليها مطياف رامان، تعطينا صورة واضحة للغاية عن سلوك ذرات النيتروجين والروابط الجزيئية بينها في ظل هذه الظروف".

يُطلق على الرسم البياني لدرجات الحرارة والضغوط التي تتغير عندها المادة حالة تجمعها (من السائل إلى الغاز أو من بنية بلورية إلى أخرى، وما إلى ذلك) مخطط الطور. بالنسبة للنيتروجين، كما هو الحال مع معظم المواد الأخرى، فإن مناطق الحرارة المرتفعة والضغط المرتفع في مخطط الطور هي مناطق لم يتم استكشافها بصعوبة. ويأمل الباحثون أن تكون هذه المجمعات غير المعروفة نقطة انطلاق مهمة لمواد جديدة ذات خصائص مفيدة.

في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي، يكون النيتروجين غازًا، ولكن يمكن تبريده وضغطه إلى شكل سائل أو صلب اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط المطبق عليه. وحتى عند المرور بين الأطوار المختلفة، يظل النيتروجين مركبًا ثنائي الذرة يتكون من ذرتين مرتبطتين برابطة كيميائية قوية وعالية الطاقة - رابطة ثلاثية.

يقول الباحث الرئيسي: "تميل مركبات النيتروجين إلى أن تكون مواد كثيفة الطاقة". "يمكن أن يكون النيتروجين النقي وقودًا أو مادة متفجرة قوية إذا تمكنا من معرفة كيفية ربط ذرات النيتروجين بالمادة بطريقة أخرى غير الانقسام ثنائي الذرة في رابطة ثلاثية. لقد تمكنت الدراسات الحديثة من إظهار أن النيتروجين يصبح في حالة غير منفصلة برابطة واحدة بدلاً من الرابطة الثلاثية عند ضغوط عالية جدًا. يمكن استخدام هذه المواد كمواد عالية الطاقة إذا أمكن الاحتفاظ بها عند الضغوط العادية. وستكون نتائج بحثنا قادرة على المساعدة في توضيح طريقة تحضير هذه المواد في ظل ظروف أقل قسوة بكثير."

يوضح الباحث أن سد الثغرات في مخطط طور النيتروجين له آثار مهمة على دراسة المواد الأساسية الأخرى. "النيتروجين هو نموذج أولي لذرة ثنائية الذرة. إن معرفة مخطط الطور والخصائص الأخرى يمكن أن تشير إلى سلوك المواد ثنائية الذرة الأخرى، وخاصة الهيدروجين. ويوضح أن العديد من التحولات الرئيسية بالإضافة إلى الظواهر الأخرى تحدث في النيتروجين عند ضغوط أقل بكثير من تلك الموجودة في الهيدروجين. "الهيدروجين هو وقود المستقبل. من الناحية النظرية، يمكن أن يكون للهيدروجين خصائص مثيرة جدًا للاهتمام عند الضغوط العالية، من بينها السلوك المعدني، ووجود الموصلية الفائقة والحالات السائلة (السوائل الفائقة). إن مسألة ما إذا كان من الممكن الحصول على مواد بهذه الخصائص وحفظها تحت الضغوط العادية لا تزال مفتوحة. ومع ذلك، وبفضل الأبحاث المتعلقة بالنيتروجين، فإننا نتقدم بسرعة نحو حل هذه المشكلة".

اعلان معهد البحوث