近年来，关于氮元素的研究不断突破传统认知，特别是在高能量储存材料领域，氮的同素异形体作为新兴的研究对象，引起了科学界的广泛关注。氮，作为地球大气中含量最高的元素，通常以极其稳定的双原子分子N2形式存在。然而，长期以来，科学家们一直探索着由更多氮原子组成的中性分子氮同素异形体，希望利用其潜在的高能量释放特性，开发更加环保且高效的能源材料。最近，德国吉森大学的研究团队成功制备并鉴定了中性氮同素异形体六氮（C2h-N6），这一突破性成果不仅颠覆了人们对氮分子稳定性的传统认识，还为高能环保材料的开发打开了新的窗口。六氮分子由六个氮原子组成，其化学结构呈现出不对称的C2h对称性，这一独特的分子形态兼具双键和单键的特点，赋予了其令人惊讶的稳定性。通常，长链或环状的氮分子容易因键能较低而快速分解回氮气（N2），但六氮分子的解离势垒较高，通过精密计算表明，其分解为三个N2分子的能量障碍达到14.8千卡·摩尔，这意味着该分子在室温条件下具有足够的寿命，能够被有效捕获和研究。
研究人员采用了氯气或溴气与银叠氮化物（AgN3）的气相反应作为核心合成路径。在反应过程中，银叠氮化物在低压环境下与卤素气体发生作用，产生了新型的氮分子产物。随后通过低温氩气基质捕获技术，将反应产物迅速固定于10开尔文的环境中，确保了六氮分子在极低温条件下的稳定存在并便于光谱分析。通过红外光谱和紫外–可见光谱（UV-Vis）的测量，再结合15N同位素标记的实验数据，科学家们对六氮分子的分子结构和振动模式进行了详尽的确认。此外，通过先进的量子化学计算方法，如耦合簇计算（CCSD(T)）和密度泛函理论（DFT），进一步揭示了六氮分子的电子结构、键长分布以及自然键轨道分析，为其稳定性提供了理论支持。与传统的氮分子相比，六氮分子表现出更复杂的电子分布与键能连接，尤其是在中心的N3–N4键上，电子密度的分布显示该键是潜在的断裂点，但仍需较大的能量才能发生断裂。
在矩阵红外谱中，六氮的多条特征吸收峰清晰显现，这些谱线与计算预测基本吻合，尤其是高强度的非对称伸缩振动模式成为鉴定的关键。这一光谱特征也通过15N同位素标记得到进一步的确认，证明反应产物确实包含了两个叠氮结构单元相连的六氮分子，而非简单的叠氮自由基或氮气杂质。值得一提的是，除了基质捕获，研究团队成功以纯六氮薄膜的形式，在液氮温度（77开尔文）下实现了六氮分子的直接制备，其稳定性进一步得到了验证。这一单一组分薄膜的制备，为将来深入研究六氮的物理性质和潜在应用奠定了坚实基础。六氮分子不仅仅因其独特的化学结构而备受关注，更因其极高的能量释放潜力成为未来高能材料领域的有力竞争者。理论计算显示，六氮分子分解时可释放出高达185.2千卡·摩尔的能量，换算成重量比，其能量释放远超传统炸药如TNT和HMX。
这意味着，如果能够实现六氮的规模化制备及安全储存，未来在军事、航空航天及清洁能源领域会有广泛的应用前景。此外，由于六氮分解产物仅为环境友好的氮气，具有无污染、高安全性的绿色能源优势，也为环保型高能材料研发提供了宝贵的范例。该研究同时探讨了六氮分子分解的动力学机制及其量子力学隧穿效应（QMT）对稳定性的影响。计算表明，尽管隧穿效应可在一定程度上加速分解过程，但由于高能势垒，六氮在低温条件下的半衰期可达数十年以上，室温下亦可存在毫秒级别以上的寿命，足以满足实验捕获及应用开发的要求。实验过程中对光照的响应也被仔细分析，436纳米波长的光照射，被用作激发引发分子分解的触发条件，进一步证实了六氮的独特光化学行为。合成过程所用的银叠氮化物是一种极为敏感且危险的试剂，操作时需严格遵循安全规定，确保低剂量、远离火源、避免摩擦及静电，以防止意外爆炸。
通过创新的反应器设计，气相反应与低温冻结技术结合，科学家们有效控制了反应条件和产物分布，实现了六氮的首次成功合成。此次突破不仅为中性分子氮同素异形体的研究提供了实验证据，也大大激发了合成其他多氮分子和氮基高能化合物的信心。尽管目前六氮的制备仍处于实验室阶段，产量有限，后续研究将致力于提高合成效率，优化纯化技术，探索不同条件下的稳定性及能量释放特性。对于氮基高能材料的潜在应用，跨学科合作尤为重要，化学、材料科学、物理学及工程技术需共同推动其科技创新与工业化进程。综上所述，六氮C2h-N6作为首个成功制备的中性氮同素异形体，改变了我们对氮分子多样性的认知。它展现出的理想稳定性和超高能量释放，将在未来能源存储、高性能推进剂及环保炸药等领域发挥重要作用。
科学家们继续探索氮的多样同素异形体及其衍生物，将助力实现氮基高性能绿色能源的革命。随着相关技术的进步，期望在不久的将来，六氮及其类似分子能够从实验室走向实际应用，造福社会和环境。
