26 февраля 2016

В НИЯУ МИФИ впервые предсказали ковалентный кристалл CL-20

НИЯУ МИФИ
Фрагмент (тетрамер) ковалентного кристалла CL-20

Химическое соединение CL-20, впервые синтезированное в 1987 году, относится к классу энергоемких материалов (HEDM – high-energy-density materials) и поэтому представляет значительный фундаментальный и прикладной интерес. Технологический процесс получения CL-20 был налажен еще в 90-ые годы прошлого века, и сейчас рассматривается возможность его использования в качестве одного из компонентов топливных элементов нового поколения. Тем не менее, имеется ряд обстоятельств, препятствующих широкому практическому применению CL-20. Среди них – высокая стоимость изготовления и сложность получения образцов заданной чистоты.

Что же представляет из себя CL-20? Изолированная молекула образована “напряженным” углеродно-азотным каркасом, сформированным из двух соединенных посредством углерод-углеродных связей пятичленных и одного шестичленного кольца, с шестью присоединенными функциональными нитрогруппами (см. рисунок 1).

Молекула CL-20

Несмотря на то, что CL-20 является метастабильным, о его достаточно высокой устойчивости свидетельствует способность образовывать твердые тела – ван-дер-ваальсовы кристаллы, в которых отдельные CL-20 сохраняют свою индивидуальность. В настоящее время известно пять полиморфных модификаций таких кристаллов, различающихся молекулярной упаковкой и взаимной ориентацией нитрогрупп, однако лишь четыре из них устойчивы при стандартных условиях. Несмотря на активное исследование как изолированных CL-20, так и твердых материалов на их основе, до настоящего времени отсутствовали сведения об экспериментальном синтезе или теоретическом анализе ковалентных кристаллов из соединений CL-20. В то же время хорошо известно, что другие наноструктуры с “напряженным” каркасом, например, фуллерены, способны образовывать не только молекулярные, но и ковалентные комплексы.

Исследователи НИЯУ МИФИ с помощью компьютерного моделирования в рамках теории функционала плотности показали, что молекулы CL-20 все же способны связываться друг с другом ковалентно, правда не напрямую, а посредством различных “молекулярных мостиков”, образуя димеры и тетрамеры (см. рисунок 2), устойчивые при температуре кипения жидкого азота.

Таким образом, принципиальная возможность получения ковалентных кристаллов CL-20 существует, а ковалентное связывание между отдельными CL-20 способно обеспечить более плотную упаковку этих молекулярных систем, повысить кинетическую устойчивость кристаллов, увеличить энергоэффективность и, вероятно, удешевить производство. Перспективность дальнейшего поиска ковалентных кристаллических структур на основе CL-20 была высоко оценена Советом по грантам Президента Российской Федерации. Проект молодых исследователей НИЯУ МИФИ, сотрудников кафедры Физики конденсированных сред и Центра наноструктурной электроники одержал победу в конкурсе 2016 года на право получения грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук. В ходе выполнения проекта планируется провести детальное компьютерное моделирование методами квантовой физики и химии потенциальных ковалентных кристаллических структур на основе молекул CL-20, а также рассмотреть возможность повышения устойчивости данных кристаллов за счет оптимального выбора соединяющих их «молекулярных мостиков». В случае успеха исследования удастся не только спрогнозировать характерный набор физико-химических характеристик новых материалов, но и задать генеральный вектор поиска эффективных методик их синтеза, что несомненно стимулирует дальнейшие, в том числе экспериментальные разработки. Пожелаем удачи нашим молодым ученым!