氮元素作为地球大气中最丰富的气体，长期以来以分子氮N2的稳定形态存在，其惰性和无害性使其成为环境友好的基本组成物质。然而，科学家们一直在探索更高阶的中性氮同素异形体，其潜在的巨大能量储存能力为新型清洁能源材料的研发提供了无限可能。近期发表在Nature上的研究报道了首个成功合成并稳定存在的中性六氮分子C2h-N6，这一里程碑不仅改写了人们对氮多原子分子稳定性的认知，也为能源科学领域开辟了新天地。 氮的多原子同素异形体，统称为多氮分子或聚氮体，因其断裂时只生成无害的氮气，且具有极高的化学能量密度，成为理想的高效能储能体。然而，传统观念认为中性多氮分子极易分解，难以在常温下稳定存在。此前，仅有少数带电的多氮离子如五氮离子被成功制备，而中性多氮分子的合成一直备受挑战。
本文报道的六氮分子C2h-N6，采用银叠氮化物与氯气或溴气在气相中的反应，结合低温氩气基质捕获技术，实现了在室温条件下的合成。随后，通过红外光谱、紫外-可见光谱结合15N同位素标记和先进量子化学计算，确认了C2h对称性结构的存在及稳定性。六氮分子结构独特，由两个三氮基团通过单键连接形成非环状链状构型，这与之前提及的环状六氮同素异形体明显不同。结构分析显示中央N-N键具有较高断裂能垒，使其在常温下具备一定的热力学稳定性。电子结构研究揭示六氮分子的键级和电子分布具有明显的双键与单键混合特征，且局部电子密度的分布保证了键合强度，减少了自发分解的可能。 此外，通过对六氮分子的电子密度、电子局域函数等量化分析，科研团队阐明其关键分解路径的能量障碍，确定其分解为三个氮气分子的活化能约为14.8千卡/摩尔，这一数值较先前研究的四氮分子高出两倍，使六氮具备短暂但可观测的寿命。
此外，量子力学隧穿效应对其分解影响较小，实验观测中通过光谱特征的稳定存在进一步验证了其内在稳定性。 六氮分子的合成不仅在实验方法上实现了创新，也为化学合成提供了全新的思路。利用银叠氮化物与卤素气体的反应，产生高能氮链片段，结合基质低温捕获避免了分解，保证了产物的检测与鉴定。15N同位素标记的应用则帮助科研人员区分分子内不同氮原子的振动模式，增强了光谱解析的准确度。紫外-可见光谱的辅助分析进一步强化了结构和电子跃迁的理解，使多角度确认产物的真实性。 该研究成果突破了过去对无环中性多氮分子存在性的怀疑，证明即使在无载体保护的情况下，六氮分子依然能在低温下稳固存在，这为其在能量材料中的应用奠定了理论和实践基础。
其分解过程释放的巨大能量，理论上是传统炸药如TNT和HMX的数倍，显示出其作为高性能推进剂和爆炸物的巨大潜力。 更令人兴奋的是，六氮分子分解产物仅为无毒的分子氮，避免了环境污染与有害副产物的产生，符合未来绿色化学和可持续发展的要求。随着制备技术的提升和稳定性的进一步增强，基于六氮的储能材料有望成为航空航天、军事及工业领域的关键技术。此外，其分子特性也为理论化学和物理化学研究多氮体系提供了宝贵的模型，为多原子氮分子的动态行为与稳定机制开启了新窗口。 未来，科研人员将致力于探索更高阶、多结构形式的中性多氮分子，推动其从基质孤立态向实用材料转化。通过高压合成、掺杂改性等技术，有望进一步提升其热稳定性和安全性，实现可控的能量释放。
此外，对其电子结构和反应机理的深入理解，将指导下一代高能材料分子的设计。 总之，中性六氮分子的成功制备代表着基础化学研究向应用转化的重要一步。它不仅丰富了元素氮的新颖同素异形体图谱，也为环境友好型高能材料注入了新的活力。随着技术的成熟和产业链的发展，期待其在未来能源和材料科学领域发挥巨大影响，助力实现更安全、更高效、更绿色的能源体系。
