氮是地球大气中含量最丰富的气体元素，其大多数化学形态以二原子分子N2的形态稳定存在。传统上，科学界普遍认为除N2外，中性氮分子多态体极为不稳定，难以被制备和捕获。然而，随着科学技术的进步，特别是在分子合成和低温矩阵隔离技术的发展，制备和鉴定新型氮基多原子分子已成为可能。最新发表在Nature杂志上的研究揭示，中性六氮异构体C2h-N6的成功合成不仅挑战了传统认知，而且为高能量密度材料的开发提供了新的方向。基于多学科合作，研究团队通过巧妙的气相反应和低温捕获技术，首次实现了室温条件下C2h对称性中性六氮分子的制备，并通过红外光谱、紫外-可见光谱、同位素标记技术结合先进的理论计算对其结构和性质进行了深入解析。 氮多原子分子因其在分解过程中只产生无害的氮气，且释放能量远超传统氢、氨及肼类常用燃料而广受关注。
然而，氮的多原子同素异形体极度不稳定，未曾有中性分子多态体被成功稳定制备，除了最简单的二氮分子N2。历年来，科学家们尝试通过不同合成路径制备N4、N5甚至更高氮原子数量的结构，但均因分子内部极高的反应活性及低能量屏障导致了极短的寿命，难以捕获。此次研究聚焦六氮分子N6，采用氯气或溴气与银叠氮化物（AgN3）进行气相反应，随后在低温氩气矩阵中快速冷却捕获，从而成功合成并稳定观察到了中性六氮分子。 通过红外光谱实验观察，N6分子展示了特征显著的振动模式，其中主要峰值出现在2076.6厘米⁻¹、2049.0厘米⁻¹、1177.6厘米⁻¹及642.1厘米⁻¹处，且这些峰在特定波长光照射下能够发生变化，表明确实存在不同于传统氮种的全新化合物。利用15N同位素标记，研究者进一步确认了分子中两组N3基团存在，证实了分子组成为六个氮原子连接组成而非简单的N2片段串联。此外，紫外-可见光谱数据显示N6具备特定的电子跃迁，契合理论计算的激发态，支持了分子的稳定构型和电子结构分析。
理论计算方面，研究采用包含高度准确耦合簇方法CCSD(T)和密度泛函理论B3LYP/def2-TZVP对N6分子的结构与能量势垒进行了深入探讨。计算结果显示，C2h-N6分子的转式构型是局域能量极小点，其分子内部的化学键长及电荷分布呈现出具有双键特征的N3单元，同时在中心部位存在比类似分子更稳定的单键连接。计算测定其分解为三个N2分子的能垒高达14.8千卡/摩尔，表明该分子具有明显的动力学稳定性。进一步的量子隧穿效应分析证明，N6在77开尔文条件下的半衰期可达132年之久，室温下的寿命也足以支持其被捕获和研究。 这种新型六氮分子的能量密度极其惊人。根据理论计算，N6分子的分解热高达185.2千卡/摩尔，比传统能量材料如三硝基甲苯（TNT）和高爆药HMX的能量释放高出1.9倍以上。
当考虑实际密度和分子量后，通过Kamlet–Jacobs方程预测其爆炸性能优异，爆速与爆压均接近或优于现有知名高能材料，显示出作为清洁高能燃料或炸药的潜在应用前景。 在实验操作上，利用银叠氮化物与卤素气体在减压条件下于石英管中反应，配合矩阵隔离技术成功捕获N6分子。相关实验均在极低温度（10K）条件下进行，以保证分子热稳定性与阻止快速降解。尽管银叠氮化物和卤素叠氮化物均存在较高危险性，实验通过严格的安全措施和小批量控制得以顺利开展。此合成路径不仅突破了此前中性多氮分子难以制备的瓶颈，也为未来多原子氮分子的设计和制备提供了可行路线。 分子结构的详细分析体现出N6分子是一种非芳香性的链状结构，与六氮环状的假想分子（如六氮环）截然不同。
环状结构由于较低的解离势垒极易导致三N2分解，而链状的C2h-N6则展现出更高的稳定性。电子密度的顶部映射揭示解离易位的“薄弱点”集中在某些特定的键上，为深入理解和设计更稳定的多氮分子提供了理论依据。同时，自然键轨道分析也确认了电子的局域化程度和电荷分布的微妙变化，进一步佐证了该分子的稳定现状。 这一突破不仅拓展了氮化学领域的理论与应用边界，也为高能量密度材料的发展开辟了新天地。随着能源结构转型和绿色能源需求的增长，无含碳的高能材料因其环境友好性和高效能量释放特性备受关注。中性六氮异构体的成功制备意味着科学家能够更多地依赖纯氮基分子构建新型能源体系，促进燃料、炸药及储能器件的创新发展。
展望未来，如何扩大N6及更高氮多原子分子的合成规模，进一步提升其稳定性与安全性能，将成为研究焦点。同时，对其物理性质的深入测定，特别是在不同环境条件下的相变及动力学行为，也将推动相关材料科学的进步。结合先进的计算化学手段，定向设计更优质的氮化合物，将为化学合成、材料工程乃至国防安全领域产生深远影响。 中性六氮异构体C2h-N6的制备实现了氮同素异构体研究上的重大突破，为理解氮元素本身的化学多样性铺平了道路。凭借其高能量密度、环境友好性及潜在的多种应用前景，该分子的研究势必引发材料科学与能源科学的新一轮创新热潮。这也表明，氮基分子化学正步入一个崭新的时代，其多原子多态体不再只是理论猜测，而是可以被实验捕获和实用开发的现实化合物。
随着相关研究的深入，中性多氮分子有望在未来能源结构中占据重要位置，为人类社会的可持续发展贡献巨大的动力。
