氮作为地球大气的主要组成元素，以其惰性和无害性广为人知。然而，氮的多原子同素异形体，即由仅氮元素组成的分子结构，却长期被视为极难合成和稳定的目标。多氮分子因其极高的能量密度和分解成无害氮气的特性，在理论上具备优异的清洁能源储存潜力和军事用能优势。因此，合成新型中性多氮同素异形体成为现代化学及材料科学领域的重大挑战。近期发表于Nature的研究中，科学家们成功实现了中性六氮分子C2h-N6的合成，标志着多氮分子合成的历史性飞跃。该成果不仅拓宽了人们对氮同素异形体的认识，也为开发新一代高能无污染材料提供了坚实的基础。
六氮分子C2h-N6的合成路线独特且高效，实验采用了室温条件下氯气或溴气与银叠氮化物的气相反应。反应产生的产物在极低温度下被迅速捕获于氩基质中，即在约10开尔文的环境中实现分子稳定。更为重要的是，研究团队还通过低温液氮环境（77开尔文）成功制备了高纯度的六氮薄膜，表明该分子在较极端低温环境下处于相对稳定状态，为其潜在应用创造了条件。对于多氮分子的研究起步较早，过去虽曾通过气相质量谱等方法间接探测到如三氮自由基（N3•）和四氮（N4）的存在，但中性大分子如六氮则未曾有确凿证据。过去的理论计算显示，六氮同素异形体存在极高的反应活性和能量释放倾向，并且大多数构型在常温下极易裂解。然而，C2h-N6分子呈现出独特的结构特征，其中心的N–N键虽为单键，但其分解路径势垒相对较高，表明具备意外的动力学稳定性。
以先进的计算方法确定，C2h-N6的结构呈现由两个三氮基团通过单键连接的形态，具备C2h对称性。分子中N–N键长和键级数据表明，终端氮原子保持电子中性，部分氮原子带有轻微正负电荷分布，反映电子密度沿分子定向分布不均匀。这一结构特征是其稳定重要原因之一。同时，通过红外光谱及紫外可见光谱结合同位素标记验证，C2h-N6的合成及其结构得到了实验上的强有力支持。紫外可见吸收峰的呈现及光致分解行为亦符合理论预期，印证了分子中π→π*的电子跃迁特征。计算分析中的电子密度函数、键级及电子定位函数进一步揭示了分子键断裂最易发生于中心连接两N3单元的N–N键，这为后续化学性质及分子稳定性研究提供了依据。
热力学计算显示，六氮分解为三个氮气分子时释放出约185千卡每摩尔的能量，是目前部分常见炸药材料如TNT和HMX的两倍左右，显示出十足的爆炸能量潜能。此外，理论研究表明该分子的分解速率在室温具有有限寿命，低温条件下甚至可实现年级的稳定存在，为安全储存和应用奠定基础。为了从根本上探索其应用潜力，研究人员还计算了C2h-N6的密度及其爆轰性能指标，发现其爆轰速度和压力均可与多种著名炸药媲美，展示其在军事或爆破领域的潜在价值。尽管从合成安全性角度讲，反应中使用的银叠氮化物和卤素气体属于极端敏感且危险的化学品，操作需高度谨慎，但成功制备出稳定的中性六氮分子为设计和合成更为复杂及稳定的多氮材料开启了可能。此次成果不仅是氮化学研究多年来的一个瓶颈突破，更为理解分子内电子结构与动力学稳定性的关系提供了珍贵范例。未来，基于C2h-N6分子的结构特征，科学家们还可通过分子修饰、外场调控或固态工程等手段提升其稳定性及实用性，进而实现其在能源储存、新型高效推进剂以及环境友好型爆炸物中的应用。
此外，本次研究对多氮同素异形体的合成方法学也有极大启示，气相反应联合基质捕获和同位素追踪结合先进计算的多维度验证策略，为合成和研究其他高能量潜力氮分子提供了通用路径。随着对量子力学隧穿效应及分子动力学理解的提升，未来更加稳定、能量密度更大、结构多样的多氮新物质将不断涌现。综上，中性六氮分子C2h-N6的成功合成打破了人们对分子态多氮同素异形体的传统认识，展示了其独特的结构魅力及卓越的能量释放潜能。其在高能材料领域的应用潜力巨大，同时也促进了基础化学理论的发展，为绿色能源科技的突破性进展奠定了基础。随着科研的深入，期待更多类似的多氮同素异形体实现从理论预测到实际制备，并转化为现实生产力，推动能源科学、材料化学及环境保护向前迈进。
