科學(xué)家長期以來一直在理論上認(rèn)為，儲(chǔ)存在氮原子鍵中的能量有朝一日可能成為清潔能源的來源。但是誘使氮原子連接起來一直是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在液體等離子體火花的一些激發(fā)下，德雷克塞爾大學(xué)C&J尼海姆等離子體研究所的科學(xué)家終于證明了這在實(shí)驗(yàn)上是可能的。

據(jù)發(fā)表在《物理學(xué)期刊D：應(yīng)用物理》上的研究，通過在液氮的超冷云中用等離子體噴射一種名為疊氮化鈉的化合物，可以生產(chǎn)純聚合氮-多氮。結(jié)果是六個(gè)氮原子結(jié)合在一起被預(yù)測為一種能量密度極高的材料。

尼海姆研究所(Nyheim Institute)相關(guān)研究教授、主要作者丹尼爾·多勃雷寧(Danil Dobrynin)博士表示：人們正在探索多氮作為‘綠色’燃料來源、儲(chǔ)能的用途。已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)合成（盡管從未以足夠穩(wěn)定的方式恢復(fù)到環(huán)境條件或以純氮的形式）六種形式。研究使用液體等離子體的發(fā)現(xiàn)為這項(xiàng)研究開辟了一條新途徑，可能會(huì)促使穩(wěn)定的多氮合成。先前產(chǎn)生含能聚合物的嘗試使用高壓和高溫來誘導(dǎo)氮原子成鍵。但這兩種方法都沒有提供足夠能量來激發(fā)必要的離子（原子鍵合劑）來產(chǎn)生穩(wěn)定形式的氮-6。

并且在這些實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的聚合氮，不能保持在接近正常環(huán)境條件的壓力和溫度下。這就像是試圖把兩個(gè)重物粘在一起，但只夠把瓶子里的幾滴膠水?dāng)D出來。要使鍵合牢固到足以支撐，需要足夠強(qiáng)的力來擠壓出大量的膠水，這種力是液體等離子體提供的一種集中的離子爆炸。液體等離子體是指在液體環(huán)境中放電的脈沖電火花產(chǎn)生離子稠密物質(zhì)的發(fā)射，這有點(diǎn)像瓶子中的閃電。液態(tài)等離子體技術(shù)剛剛問世十年，盡管它已經(jīng)有了很大的希望。它是由Nyheim研究所的研究人員率先開發(fā)。

已經(jīng)探索了IS在各種應(yīng)用中的用途，從醫(yī)療保健到食品處理。因?yàn)榈入x子體被包裹在液體中，所以有可能對環(huán)境進(jìn)行加壓，以及控制其溫度。這種水平控制是研究人員合成多氮所需的關(guān)鍵優(yōu)勢，因?yàn)樗芨_地開始和停止反應(yīng)，以保存其產(chǎn)生的材料。Dobrynin和合作者首次發(fā)表了利用液氮中等離子體放電生產(chǎn)多氮的成功嘗試。在最新的發(fā)現(xiàn)中，等離子體火花向含有氮的疊氮化鈉（三個(gè)分子）發(fā)射了一股集中的離子束。離子爆炸將氮-3分子從鈉中分裂出來，在激發(fā)狀態(tài)下，氮分子可以彼此結(jié)合。

由于涉及離子密度和液氮作為反應(yīng)的猝滅劑存在，這種方法在其他方法不足的地方成功地產(chǎn)生了純多氮，其他實(shí)驗(yàn)引入了高溫和高壓作為催化劑，但本研究實(shí)驗(yàn)是能量、溫度、電子和離子的更精確組合。在用拉曼光譜儀（一種通過測量材料對激光刺激的響應(yīng)來識(shí)別材料化學(xué)成分的儀器）進(jìn)行檢查時(shí)，經(jīng)等離子體處理材料產(chǎn)生的讀數(shù)與預(yù)測純多氮讀數(shù)一致。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榈侥壳盀橹?，科學(xué)家們只能以鹽的形式合成穩(wěn)定多氮化合物，但從來沒有在近環(huán)境條件下以這樣的純氮形式合成。

等離子體在其原始的充氣環(huán)境中，作為水、食品和醫(yī)療設(shè)備的滅菌技術(shù)已經(jīng)開發(fā)了幾十年，同時(shí)也在探索用于涂層材料的技術(shù)。但這是液體等離子體首次用于合成一種新材料。因此，這一突破可能被證明是等離子體研究的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。德雷克塞爾工程學(xué)院的John A.Nyheim教席教授，C&J Nyheim等離子體研究所主任，研究的合著者Alexander Fridman博士說：這一發(fā)現(xiàn)為生產(chǎn)聚合氮作為燃料來源開辟了許多令人興奮的可能性。這種新的清潔能源密集型燃料可能會(huì)使汽車和大眾運(yùn)輸進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代，它甚至可能是必要的突破，使人們能夠探索遙遠(yuǎn)的太空。

博科園｜研究/來自：德雷克塞爾大學(xué)

參考期刊《物理學(xué)期刊D：應(yīng)用物理學(xué)》

DOI: 10.1088/1361-6463/ab349a

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