科学家发现爆炸潜力堪比TNT的碳氧化合物

斯科尔科沃理工学院的研究人员进行了一项理论研究，探索了由氧和碳原子形成的多种分子——除了众所周知的二氧化碳和一氧化碳。这些氧碳化合物在多个领域都具有重要意义，包括太空探索、电池开发、生物化学，甚至工业炸药和火箭推进剂的设计。

该研究发表在《材料今日能源》杂志上，并得到了俄罗斯科学基金会的资助，研究发现了数十种以前未知的分子，其中一些分子的爆炸能量达到 TNT 爆炸能量的 75% 以上。

这些化合物属于高能量密度材料，即每单位质量能够释放大量化学能的物质。这些材料对于推进剂和炸药的改进至关重要，这些推进剂和炸药的性能优于传统的氮基化合物，如 TNT 和高氯酸铵。值得注意的是，Skoltech 团队在研究一类称为氧碳或碳氧化物的化合物时发现了一种完全不含氮的新型爆炸化学物质。

一氧化碳的作用和稳定性

“许多高能量密度材料以氮化学为基础的原因在于此。在化学反应过程中，氮原子会试图形成非常稳定的分子 N₂。当原子采用这种能量上有利的配置时，会释放出大量能量，”Skoltech 材料科学专业的硕士生、该研究的主要作者 Elizaveta Vaneeva 说道。

图片。Skoltech 研究的图形摘要显示了研究人员探测范围内的一些可能的碳氧化物：氧原子不超过 16 个，可能没有任何一种元素的原子。图片来源：Elizaveta Vaneeva 等人/Materials Today Energy

“因此，有这样一种想法，由于一氧化碳分子 CO 中的键能更大，人们可以找到一种分解成一氧化碳和其他物质的化合物，而这个过程会释放出更多的能量，”她继续说道。“事实证明，我们研究的一些碳氧化物在分解成含有二氧化碳而非一氧化碳的产物时，释放的能量是 TNT 的 81%。”

该团队的分析发现了一个完整的“分子动物园”，其中约有 224 种碳氧化合物，其中只有 78 种在早期论文中被报道过，而进行过如此详细研究的碳氧化合物则更少。科学家在其中发现了 32 种具有爆炸潜力且有合成前景的化合物。这些化合物包括 C₄O₈ 和 C₄O₉ 以及新发现的 C₆O₁₂ 和 C₆O₁₃，它们释放的能量均为 TNT 的 75% 或更多，其中 C₄O₉ 分子的爆炸力最大，相当于 TNT 的 81%。

这项研究的首席研究员、斯科尔科沃科技学院材料发现实验室负责人、杰出教授 Artem R. Oganov 对这项研究的根本意义发表了评论：“这种分子化学很不寻常。你知道，人们普遍认为，分子比晶体更容易理解。但我们看到的却恰恰相反。晶体化学成分的变化非常有限。相反，分子表现出很大的多样性。尽管如此，即使在分子中，也并非纸面上可以想象到的每一种成分都会在自然界中形成，我们已经解释了原因，并预测了一些可能被发现的成分。”

这一解释借鉴了“魔力”的概念，而“魔力”本身是核物理学中魔数概念在分子层面的延伸。研究人员不是通过评估将特定分子结合在一起的键所包含的绝对能量来评估其稳定性，而是将分子的能量与组成最接近的分子（即多一个或少一个氧原子或碳原子）的能量进行比较。任何在能量上比邻近构型更有利的化合物都被视为“魔力”分子，这表明其相对稳定且形成的可能性很高。

氧碳有望应用于许多领域，包括先进能量学、锂离子电池电极材料、大气化学和生物化学研究。它们对于研究煤油、乙醇和二甲醚等常见碳氢燃料的燃烧产物非常重要。氧碳还可能存在于星际介质和行星中，因此成为天体物理学研究的目标。尽管如此，碳和氧的化合物仍未得到充分研究，大部分数据仅用于几种教科书分子，主要是二氧化碳和一氧化碳。斯科尔科沃理工学院的研究是解决这一问题的一步。

编译自/ScitechDaily