氮元素作为空气的主要成分，以其稳定的双原子分子N2形式广泛存在于自然界。然而，科学家多年来一直致力于探索更复杂、多原子的氮同素异形体，期待其在高能材料和储能领域发挥重要作用。近日，来自德国吉森大学的研究团队宣布成功制备了中性六氮同素异形体C2h-N6，这一突破不仅丰富了氮元素的化学形态，也为未来能源材料的发展提供了全新契机。 中性多氮分子的研究由来已久。氮的传统同素异形体主要是三原子以上带电状态的聚氮离子，如五氮阳离子（N5+）和环五氮阴离子（cyclo-N5-）等，而纯中性分子氮同素异形体在实验室内一直难以稳定存在。主要障碍是这些中性多氮分子极不稳定，极易分解成氮气（N2），这导致了合成和捕获过程中的巨大挑战。
C2h-N6的发现成功克服了这一难题，揭示了这种中性六原子氮分子在特定条件下展现出的意外稳定性。 C2h-N6的制备过程采用了气相反应技术，具体是通过氯气或溴气与银叠氮化物（AgN3）在室温条件下反应生成多氮中间体，随后在极低温的氩惰性气体基质中以10开尔文捕获并稳定下来。研究者们还进一步在液氮温度（77开尔文）制备了纯净的N6薄膜，验证了其在无溶剂环境下的稳定存在。这种工艺不仅展现了合成六氮中性分子的可行性，更证明了其在低温条件下的较高稳定性，有助于未来的深入研究和实际应用。 为了确认产物的结构和性质，团队结合了红外光谱、紫外-可见光谱（UV-Vis）以及15N同位素标记实验，配合先进的量子化学计算方法进行分析。红外光谱显示出多个独特的振动带，准确对应于C2h-N6的特征化学键和分子振动模式。
应变计算进一步揭示了其分子结构呈现对称的二维结构，包含两个N3基团连接形成非环状链状构型。自然键轨道分析（NBO）和电子密度分布图则帮助解释了分子内部的电子分布与键强度，解释了其意外的稳定性来源。 计算研究表明，相较于其他被预测的多氮同素异形体，C2h-N6拥有较高的分解能垒，分解成三个N2分子的自由能势垒达到14.8千卡每摩尔，这意味着它在常温下存在一定的寿命，足以被捕获和研究。且基于隧穿效应的动力学研究显示，尽管量子机械隧穿可能加速某些分子的分解，但C2h-N6的寿命在77开尔文下可长达132年，这为其深入研究提供了可靠的时间窗口。 除了结构稳定性，能量释放与应用潜力也是该新材料的重要议题。依据高精度的热化学计算，C2h-N6分解成氮气释放的能量约为185千卡摩尔，按重量计算远高于常用的高能材料如TNT和HMX。
借助工业标准的Kamlet–Jacobs方程，预测其理论爆轰速度和压力均优于多种传统炸药，这使得C2h-N6具备成为未来高效环保能源材料的可能性。它的分解产物仅为氮气，避免了对环境的污染，符合绿色能源的理念。 实现该分子的实验证明突破了长期以来对中性氮同素异形体难以存在的认知。此前，被认为极度不稳定难以合成的多氮中性分子，如N4和N6，常常只能通过理论计算预测存在，而无人能实际合成。此次研究突破了这一瓶颈，成功地从气相反应出发，在低温基质中实现了其稳定、纯净的存在和长时间保存，开创了多氮化学的新篇章。 此外，C2h-N6的制备工艺具有一定的通用性，为未来合成功能更丰富的多氮化合物提供了范例。
银叠氮化物作为反应底物展现出优异的活性和选择性，同时利用卤素气体在气相中介导反应避免了复杂的溶剂效应和副反应。随着实验手段和探测技术的不断进步，更高级别、多原子的氮分子合成有望成为现实，将推动高能材料领域迈向新的高度。 未来的研究方向可能涉及该化合物的稳定性进一步提升及其在实际环境中的应用。如何设计类似结构但具备更高热稳定性和易于储存运输的多氮分子，如何将这种分子应用于能源释放装置中以替代传统炸药或推进剂，以及如何通过材料工程优化其安全性和性能，都是值得关注的领域。 C2h-N6的发现还将激励新型氮基材料的设计理念。多氮链状结构的成功合成与表征，为设计类似具有高能密度且环境安全的爆炸物、推进剂提供了思路，同时对理解氮同素异形体的电子结构和反应动力学机制亦有重要影响。
理论与实验的紧密结合使得科学家能够预判新结构的稳定性和能量储存潜力，大大缩短了新材料开发的周期。 这一突破性的成果也对学术界和工业界均具有重要意义。在学术层面助力深入理解同素异形体的本质和形成机理，促进物理化学、材料科学和计算化学等多学科交叉融合；在工业应用层面为开发新型环保、可控的高能材料奠定坚实基础，有助于推动清洁能源和国防安全领域的技术革新。 总体而言，中性六氮同素异形体C2h-N6的成功制备开启了多氮分子化学新纪元。它不仅填补了氮元素化学多样性中的空白，也给高能量储存材料的发展带来了革命性的契机。未来，随着研究的深入和应用技术的完善，C2h-N6及其衍生品有望成为引领能源材料创新的重要力量，造福科学与社会发展。
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