氮作为地球大气中含量最丰富的元素，其最常见的同素异形体便是双原子氮分子N2，这种分子结构极为稳定且化学惰性，使氮气成为自然界中无毒无害且温室效应极低的气体。然而，科学家们长期以来一直对合成高含氮量的分子，即多聚氮或氮的同素异形体抱有浓厚兴趣，尤其是在高能量储存材料领域。近期，德国吉森大学的科研团队在著名学术期刊《自然》上，首次公开了通过气相反应成功制备中性六氮分子（C2h-N6）的研究成果，这不仅打破了中性氮同素异形体难以制备和极端不稳定的传统认知，也为未来高效、绿色的能源材料开辟了全新方向。 多聚氮因其分解时释放的能量远远高于氢气、氨气甚至肼等传统燃料，且唯一的分解产物为无害的氮气，因而被誉为“理想清洁高能材料”。然而，过去的研究表明，其中性多聚氮分子通常极不稳定，难以在常温常压条件下合成和保存。此前，唯一成功被鉴定的中性多聚氮同素异形体是气相中的三氮基自由基（·N3）和不确定结构的四氮分子（N4），对于更大的分子如六氮（N6）一直没有明确证据支持其稳定存在。
此次实验团队创新地通过银叠氮化物与氯气或溴气反应，并借助低温惰性气体矩阵捕获技术，在10开尔文条件下成功实现了六氮分子的制备，且确认了其室温制备的可能性。 这项研究不仅在实验方面实现了突破，在理论计算上也给予了坚实支撑。通过先进的量子化学计算，研究人员确定了C2h对称构型的六氮分子为局部能量极小点，相比其他异构体具有更高的稳定性。计算表明其解离成三个N2分子的反应势垒为14.8千卡/摩尔，赋予了该分子在室温下有限但可观的寿命。更重要的是，这个能量势垒远高于先前研究中假想的某些同素异形体，从而使得六氮分子成为理想的实验制备对象。此外，量子隧穿效应被证明对其分解影响有限，进一步增强了其实验观察的可能性。
具体合成过程涉及银叠氮化物（AgN3）与氯气或溴气之间的气相反应，反应在减压条件下进行，随后将生成物迅速凝聚至10K的惰性氩气矩阵中，通过红外和紫外-可见光光谱技术进行监测与鉴定。红外光谱中出现特征频率峰，结合15N同位素标记实验，成功确认了六氮分子的存在和结构。该分子具有特征的N3亚基振动模态，且其电子结构分析表明分子内部的键长和键级分布与传统氮气截然不同，体现了分子内部分独特的共价键排列和电子分布。 除惰性矩阵捕获外，科研团队还成功制备了纯净的六氮分子薄膜，这种薄膜在77K液氮温度下依旧保持稳定，使六氮拥有较大的实际观察窗口。该成果为未来中性多聚氮分子的规模化制备和应用奠定了坚实基础。液氮温度条件下的薄膜稳定性揭示了六氮潜在的材料处理可行性，为探索其高能量应用提供了新可能。
从能量储存及爆炸性能角度看，六氮分子释放的能量远超传统炸药如TNT和HMX。计算表明，其分解反应放热量高达185.2千卡/摩尔，换算成质量能量密度，约为TNT的两倍以上。根据Kamlet–Jacobs相关方程，六氮的爆速和爆压参数分别达到8930米每秒和31.7吉帕斯卡，在同类能源材料中表现优异。如此出色的能量释放特性预示其在军工、航天推进以及环保动力领域的巨大应用潜力。 尽管实验成果令人振奋，但研究人员也强调这种高能量材料的制备过程存在诸多挑战。银叠氮化物及卤素气体的反应均需极度谨慎操作，反应物和产物皆具高危险性且易爆。
且稳态保存仍需低温条件，常温下的稳定性仍有限。未来，如何延长其寿命、增强稳定性以及实现安全高效的合成，是推动其产业化和实际应用的关键方向。同时，对其分子结构和解离机理的深入理解，也将进一步推动多聚氮化合物的设计和优化。 日前，团队已就该发明申请了欧洲专利，并计划在后续工作中探索该材料的储能性能、电化学性质及其复合材料开发可能。该重大发现不仅极大丰富了氮元素化学的基础科学知识，也为新能源材料设计提供了前沿范例。未来，随着研究的推进，六氮分子或可作为高效清洁能源载体，助力实现碳中和和绿色能源转型目标。
综上所述，六氮中性同素异形体的成功制备打破了科学界对多聚氮分子稳定性的长期质疑。通过精确的气相反应和低温矩阵捕获技术，配合先进的光谱鉴定和高水平计算化学方法，科研人员为氮化学带来了革命性进展。该发现不仅有望催生新一代高能量密度材料，还为化学、材料科学及新能源领域的研究者提供了丰富的启示。未来，对其结构稳定性调控、合成工艺优化及应用拓展的深入探索，必将推动化学能源科学迈上新台阶。
