氮元素作为地球大气的主要成分，存在形式极其稳定，通常以氮气（N2）分子形式存在。然而，氮的不同同素异形体长期以来在化学领域被视为难以实现的目标，尤其是中性分子状态的多氮同素异形体。最近，德国吉森大学的研究团队在权威科学期刊Nature上发表了题为“Preparation of a neutral nitrogen allotrope hexanitrogen C2h-N6”的研究，首次实现了中性分子六氮（N6）同素异形体的室温制备和光谱鉴定，标志着氮同素异形体化学的重大突破，也为高能材料领域注入全新活力。多氮同素异形体被誉为未来的清洁能源载体，其能量密度远远超过传统的氢气、氨气和肼，并且在分解后仅释放无害的氮气，具备环境友好型能源材料的巨大潜力。然而，之前由于其极度不稳定的特性，科学家们一直未能成功制备出稳定的中性分子多氮体。此次突破性的研究采用氯气或溴气与银叠氮化物（AgN3）在气相条件下的反应，同时利用低温氩矩阵捕获技术成功制备并稳定捕获了C2h对称的六氮分子。
这种制备策略不仅突破了实验范畴的限制，也通过红外光谱、紫外-可见光谱和15N同位素标记实验，结合先进的理论计算，系统揭示了该分子的结构和电子性质。科学家们发现，C2h-N6分子结构由两段N3单元组成，呈非环状开链结构。相比三重键的N2分子，这些N3单元中氮原子之间呈现双键和单键特征，分子内部的键长和键序显示出独特的化学键合方式。自然键轨道分析进一步证实了分子的电子分布，显示出中央氮–氮键具有较强的双键特性，整体结构具备一定的热力学和动力学稳定性。计算结果揭示了该六氮分解为三分子N2的自由能势垒高达14.8千卡/摩尔，显著优于先前提出的多氮分子结构，同时量子机械隧穿效应对其不稳定性的影响较小，理论上在液氮温度下其半衰期可达百年以上，从而证实了实验中观察到的稳定性。实验方面，通过在10K低温下的氩气矩阵中捕获样品，利用高分辨傅里叶变换红外光谱记录了其特征振动频率，与理论计算结果吻合极好。
同时，利用436纳米波长光对样品进行光照，观察其振动谱的消失，从而确认了分子的身份。15N同位素标记实验更进一步验证了其独特的N6结构。值得一提的是，作者还成功制备了无需载气的纯净N6膜，显示该分子在77K液氮温度下足够稳定，具备潜在实际应用的可能性。这一发现不仅为实验化学界带来了全新的范式，也极大地推动了氮基高能材料的研究进程。从能量释放角度看，C2h-N6分子的分解热高达185.2千卡/摩尔，是三分子传统N2分子的能量释放的数倍，能量密度远超当前已知的TNT和HMX等炸药，理论预测其爆炸速度达到8930米/秒，爆轰压力达31.7吉帕，显示出优异的能量储存与释放性能。基于这些性能，六氮同素异形体不仅具有成为下一代高能燃料和推进剂的潜力，也可望在环保、安全且高效的新型能源材料开发中发挥关键作用。
现有的多氮离子化合物诸如N5+盐类虽然已实现一定的稳定性和合成，然而中性氮分子的实现却更具挑战，因其避免了带电体系中的额外稳定机制。八方呼应的理论研究曾提出包括链状、环状和笼状等多种多氮结构，但多数因低分解势垒和量子力学隧穿效应而难以合成。吉森大学团队的工作中对N6的无环链状结构进行了详细的电子结构及势能面分析，发现其动力学稳定性为合理可控，成功撬动了中性氮同素异形体制备的大门。制备过程中，银叠氮化物与卤素气体反应生成的挥发性中间体在气相条件下与惰性氩气快速冷凝形成低温矩阵，既稳定了目标分子，也避免了热分解。配合光谱学手段的及时探测，实现了分子的光学指纹确认。该研究还对分子光致解离过程进行了监测，确认了分子的特定振动模式，极大地增强了结构确定的可信度。
此外，先进的高水平量子化学计算辅助理解了实验观察现象，指导了实验设计与分析。作为科学与技术的结合典范，此次成果体现了精密合成、严谨表征与理论计算协同推进的科学价值。展望未来，中性多氮分子的制备为探索氮基能量材料开启了新纪元。随着对该分子及其类似结构性质和反应机理研究的深入，或将揭示更多稳定的多氮体系，为储能、推进和爆炸材料设计提供全新途径。尤其是在环保法规日益严格的今天，氮基材料因分解产物主要为无害氮气，具备绿色能源的战略意义。另外，该分子性质的稳定验证也为基础化学理论的完善提供了珍贵范本，有望在教学与科研中产生深远影响。
综上所述，吉森大学团队成功合成并鉴定的中性六氮分子C2h-N6，是化学界的里程碑式发现。它不仅挑战了关于多氮中性分子难以形成的传统认识，也为未来高效、安全、环保的能源材料研发奠定坚实基础。这一成果输出了高能量密度材料的新范式，展示了氮基多元同素异形体的巨大科研与应用潜力，必将激励更多科学家投身于这一充满挑战但充满希望的领域。随着相关技术与理论的不断进步，氮同素异形体的研究将持续蓬勃发展，并逐步走向实际应用。
