Химики Университета Олбани синтезировали соединение диборида марганца (MnB2).
Аспирант Джозеф Доан подготавливает дуговую плавильную печь для синтеза диборида марганца.
(Фото Брайана Бушера)
Синтезировано новое высокоэнергетическое соединение, потенциально способное повысить эффективность ракетного топлива.
Химики Университета Олбани синтезировали соединение диборида марганца (MnB2).
Это соединение выделяет больше энергии относительно своего веса и объема, чем существующие виды топлива, что может сделать космические полеты более эффективными и экономичными.
MnB2 более чем на 20% более энергоемкий по весу и на 150% более энергоемкий по объему, чем алюминий, который в настоящее время используется в твердотопливных ракетных ускорителях.
Команда утверждает, что это высокоэнергетическое соединение воспламеняется только при контакте с воспламеняющимся веществом, например, с керосином.
Это означает, что ракета может использовать меньше топлива для достижения тех же характеристик, освобождая место для большего количества критически важных для выполнения миссии материалов и оборудования.
«В ракетных кораблях пространство имеет решающее значение. Каждый сантиметр должен быть эффективно упакован, а всё на борту должно быть максимально лёгким», — сказал Майкл Йенг, доцент кафедры химии Университета Олбани (США).
Нагрет до экстремального уровня
Химики давно предполагали, что диборидные соединения обладают необычными свойствами, но изучение этих свойств было невозможно, поскольку эти соединения невозможно было создать.
Благодаря новой технологии ученым удалось успешно синтезировать нестабильный и высокоэнергетический диборид марганца.
Сам процесс синтеза представляет собой упражнение в экстремальной химии.
Порошки марганца и бора прессовали в таблетки, которые затем нагревали до экстремальной температуры 3000 °C с помощью «дуговой плавильной печи».
Полученный расплавленный материал быстро охлаждается, что фиксирует уникальную атомную структуру.
В этой структуре центральный атом марганца необычно связан со многими другими атомами, создавая чрезмерно плотную и напряженную конфигурацию — во многом похожую на туго сжатую пружину, готовую высвободить энергию.
«Успешный синтез чистого диборида марганца — само по себе захватывающее достижение. И теперь мы можем проверить его экспериментально и открыть новые способы его применения», — сказал аспирант Университета Олбани Джозеф Доан.
Компьютерное моделирование структуры
Более глубокое понимание свойств этого соединения было получено в результате компьютерного моделирования под руководством аспиранта Грегори Джона и специалиста по вычислительной химии Алана Чена.
Модели выявили тонкую «деформацию» молекулярной структуры. Она продемонстрировала перекос атомов, который напрямую объясняет высокую потенциальную энергию, накопленную в материале.
«Наша модель соединения диборида марганца выглядит как поперечное сечение сэндвича с мороженым, где внешние слои представляют собой решетчатую структуру, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников», — сказал Джон.
«Если присмотреться, можно заметить, что шестиугольники не идеально симметричны; все они немного перекошены. Это то, что мы называем „деформацией“. Мы можем использовать эту меру как показатель для определения количества энергии, накопленной в материале, измеряя степень деформации. Этот перекос и есть место, где хранится энергия», — объяснил Джон.
Универсальная структура на основе бора также изучается на предмет ее потенциала в создании более долговечных каталитических нейтрализаторов для автомобилей и в качестве катализатора для разложения пластика.
Это исследование показывает, как научные прорывы могут происходить неожиданно.
В данном случае обнаружение высокоэнергетического соединения стало удачным открытием в ходе проекта, изначально направленного на создание материалов, тверже алмаза.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества.
Sourse: interestingengineering.com
