氮元素作为地球大气的主要成分，其稳定的双原子分子形式N2具有极高的化学惰性。然而，近年来，科学家们对氮元素的多原子分子同素异形体表现出浓厚兴趣，这主要源于其作为高能密度材料的巨大潜力。特别是中性分子态的多氮化合物，由于能释放的大量能量以及分解产物仅为无害的氮气，被视为未来清洁能源储存和高性能爆炸物的理想选择。制备稳定的中性氮同素异形体是一项巨大的挑战，直到2025年最新科学研究成功制备了一种新型的六氮中性分子同素异形体C2h-N6，标志着该领域的重大突破。 六氮分子，理想化学式为N6，是一种由六个氮原子以特定结构排列形成的分子。这一结构通过克服以往合成时氮分子极易分解的难题而显现出来。
早期研究显示，大多数多氮同素异形体极为不稳定，尤其是中性且拥有偶数电子的分子体系，因为它们容易分解成稳定的N2分子。然而，科学家们发现，C2h对称性结构的N6分子在能量势垒上具备较大的优势，这使其在常温下具有一定的稳定性，从而可以用于实际的实验制备与研究。 在制备方面，研究人员采用了一种创新的气相反应路径，利用卤素气体（如氯气或溴气）与银叠氮化物（银 azide，AgN3）反应，在室温条件下生成N6分子产物。随后，将反应气体迅速冷凝并捕获于低温氩气基体中（约10开氏度），利用红外光谱及紫外-可见光谱技术对产物进行了详细的表征。这种方法不仅实现了N6的合成，而且证明了其在液氮温度下以纯净薄膜形式存在的稳定性，进一步验证了N6的热力学和动力学稳定性。 红外光谱分析是验证N6分子存在的关键途径之一。
通过对反应体系的光谱观察，研究者捕获到几个与已知叠氮基团振动特征对应的全新吸收峰。更为重要的是，通过用15N同位素标记制备的试验，加深了对分子结构的理解。不同的15N替换位置引起了光谱中吸收峰的位移，这种变化与理论计算的数据高度吻合，从而提供了强有力的证据支持N6结构的存在。 在理论计算方面，运用高精度量子化学方法（如CCSD(T)/cc-pVTZ）对N6的几何结构、电荷分布及键级进行了系统分析。结果显示，N6分子以ac-cyclic的构型存在，具有对称的C2h点群，键长和键级显示其内部氮氮键既非单键也非三键，而是介于两者之间的双键特征。这种独特的键合模式为分子的超高能量储存能力提供了理论支撑。
此外，电子密度的空间分布分析揭示了分子内部的键断裂易位，为分解路径提供了可能的预测，从而更好地理解分子稳定性及其寿命。 动力学稳定性分析表明，N6分子分解成三分子N2的活化能高达约15千卡每摩尔，这大幅延长了分子在常温下的寿命。计算引入量子力学隧道效应后，预计在77K低温下，其半衰期可长达上百年，常温半衰期也可达数十毫秒，足以使其在实验条件下被有效捕获和研究。这一特性显著区别于早期提出但难以稳定存在的多氮分子体系。 此外，N6的分解反应热值极高，经计算其单位质量能释放的能量是传统高能炸药如TNT和HMX的两倍左右。这意味着六氮分子不仅作为能源载体具有巨大潜力，也使其成为新一代高性能能源和爆炸材料的候选者。
利用Kamlet–Jacobs模型估算的爆轰特性显示，其爆轰速度和爆轰压力均优于许多已商业化的炸药，为未来军事和工业领域的应用奠定基础。 在实验操作中，银叠氮化物与卤素气体的反应极其危险，需严格遵守安全规程，包括但不限于使用爆炸防护设施、个人防护装备、空间通风和静电防护等。实验规模应受到限制，以防止因操作不慎引发爆炸事故。研究团队使用了先进的矩阵隔离技术和光谱检测设备，确保了实验的安全和数据的准确性。 六氮分子的发现和制备为多氮同素异形体的研究带来了新的视角，挑战了此前认为中性多氮分子极难稳定存在的传统认知。这一突破不仅丰富了氮元素化学的基本理论，还可能引领新能源材料和高能材料的研发革新。
未来的研究可集中在优化合成方法，提高产物纯度，更深入地探讨分子的电子结构特性，以及设计基于N6结构的复合材料，从而实现其在实际应用中的潜力。 除了在高能密度材料领域的潜在用途外，N6分子也可能在环境友好型能源储存系统中发挥作用。由于其分解产物为氮气，不会造成环境污染且无温室气体排放，因此未来可作为绿色能源技术的重要组成部分。同时，深入了解其分解机制和稳定性对于开发更安全、可控的能源释放系统具有重要意义。 总之，六氮中性分子C2h-N6的成功制备和系统表征，是氮化学领域的里程碑式进展。这不仅证明了多氮中性分子的存在可能，也为其作为未来高效、绿色能源的候选材料提供了坚实的科学依据。
随着研究的不断深入，相信这种特殊的氮同素异形体将在材料科学、物理化学以及能源技术等领域发挥日益重要的作用，推动相关行业的技术进步和应用创新。
