Kväve ansluter sig äntligen till den exklusiva skaran av grundämnen som kan bilda neutrala allotropier – olika strukturella former av ett och samma kemiska grundämne. Forskare vid Justus Liebig-universitetet i Giessen, Tyskland, har syntetiserat neutralt hexakväve (N6) – den första neutrala allotropen av kväve sedan upptäckten av naturligt förekommande dinitrogen (N2) på 1700-talet som är kryogent stabil och kan framställas vid rumstemperatur.
I denna nya studie, som publicerats i Nature, syntetiserades hexanitrogen (N6) genom en gasfasreaktion, där huvudingredienserna var klor (Cl2) eller brom (Br2) och ett extremt reaktivt och explosivt fast silverazid (AgN3) under reducerat tryck.
Forskarna spred AgN3 på den inre ytan och en gasformig halogen (Cl2 eller Br2) leddes genom det fasta ämnet under reducerat tryck vid rumstemperatur. Reaktionen som utlöstes av processen producerade N6 tillsammans med biprodukterna kloronitren (ClN) och hydrazoic acid (HN3).
Dessa molekyler fångades sedan in i argonmatriser – en inert matris av fast argon – under kryogena förhållanden (10 Kelvin) för att stabilisera och isolera det mycket reaktiva N6.
Molekylära former av kväve är mycket lovande som koldioxidneutrala material med hög energitäthet. Vid nedbrytning frigör de en stor mängd energi när de bryts ned till sin stabila N2-form, en giftfri, inert gas, till skillnad från konventionella bränslen som producerar växthusgaser som CO2.
Tyvärr är N2 den enda naturligt förekommande allotropen (molekylformen) av kväve, som på grund av sin inerta natur, som beror på exceptionellt starka trippelbindningar, är olämplig för användning som bränsle.
Alla kända neutrala molekylära kväveallotroper och framställning av N6. Källa: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09032-9
I årtionden har forskare försökt syntetisera större neutrala kvävemolekyler som energimaterial, men misslyckats på grund av polynitrogenmolekylers extremt instabila natur.
Tidigare studier har detekterat azidradikalen (-N3) och den andra N4 via spektroskopi, men deras struktur förblev ett mysterium. På den teoretiska fronten har strukturerna för N4 till N12 förutsagts, men ingen har isolerats experimentellt, eftersom de anses vara för instabila.
Denna studie bröt trenden genom att inte bara framgångsrikt syntetisera den neutrala N6-molekylen utan också identifiera dess linjära, acykliska struktur med C2h-symmetri. Molekylen består av en kedja av sex kväveatomer där två azid (N3)-enheter och tre kväveatomer hålls samman av dubbelbindningar förenade med en enda N–N-bindning i mitten.
Mekanismen involverade sannolikt en tvåstegs gasfasreaktion. Först reagerade det gasformiga Cl2 eller Br2 med silverazid för att producera silverhalogenid (AgX, där X = Cl eller Br) och halogenazid (XN3). Den halogenazid som bildades i det första steget reagerade med en annan molekyl silverazid för att producera silverhalogenid och hexanitrogen (N6).
Uppmätt och beräknat UV-Vis-spektrum för N6 och molekylorbitaler som är involverade i de elektroniska övergångarna. Källa: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09032-9
N6 som producerades vid rumstemperatur förblev stabilt vid kryogena temperaturer, vilket gjorde det möjligt för forskarna att isolera det som en ren film vid 77 K – den temperatur vid vilken kväve övergår till flytande form. Beräkningar visade att molekylen hade en halveringstid på 35,7 millisekunder vid rumstemperatur och över 132 år vid kryogena förhållanden.
Forskarna upptäckte också att N6 vid sönderdelning frigör en exceptionell mängd energi – 2,2 gånger mer per massenhet än det kända sprängämnet TNT och dubbelt så mycket som RDX.
De betonar att framställningen av en metastabil molekylär kväveallotrop bortom N2 inte bara främjar grundläggande vetenskaplig förståelse utan också har potential för framtida energilagringsapplikationer.
Mer information: Weiyu Qian et al, Preparation of a neutral nitrogen allotrope hexanitrogen C2h-N6 , Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09032-9
