Wenn es um Materialien mit hoher Energiedichte (High Energy Density Materials, HEDMs) geht, gehören stickstoffhaltige Verbindungen zu den effektivsten Optionen. Die Fähigkeit von Stickstoff, verschiedene stabile und energetisch günstige Bindungen unterschiedlicher Ordnung – einfaches N-N, doppeltes N=N oder dreifaches N≡N – zu bilden, ermöglicht die Synthese einer breiten Palette von Verbindungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
Für die Beherrschung von HEDMs ist dabei das Molekulargewicht ein sehr wichtiger Parameter: Je leichter die Elemente sind, die einen Festkörper bilden, desto höher ist die gravimetrische Energiedichte der Verbindung. Da Scandium das leichteste Übergangsmetall ist, sind seine Polynitride (Verbindungen mit zahlreichen einfach gebundenen Stickstoffatomen) als HEDMs besonders vielversprechend, wie in vielen Berechnungsstudien vorhergesagt wurde. Bislang waren Scandium-Polynitride jedoch unbekannt.
Forscher der Universität Bayreuth berichten nun über vier neuartige Scandiumnitride: Sc2N6, Sc2N8, ScN5 und Sc4N3. „Die beiden neuartigen verketteten Stickstoffeinheiten N66- und N86-, die in dieser Studie entanden sind, erweitern die Liste der anionischen Stickstoffoligomere erheblich und leisten einen bemerkenswerten Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Stickstoffchemie unter hohem Druck“, sagt Doktorand Andrey Aslandukov, Erstautor der mit der Entdeckung verbundenen Studie.
Vielversprechende Materialien für Wissenschaft und Technik
Stickstoffhaltige Materialien sind in der Lage, bei der Zersetzung oder Verbrennung (wenn Einfachbindungen durch Dreifachbindungen ersetzt werden) eine enorme Menge an Energie freizusetzen, was sie als Treibstoff und Sprengstoff sehr effektiv macht. Bei der Zersetzung von stickstoffhaltigen Verbindungen entsteht häufig Stickstoffgas (N2), ein stabiles, inertes und umweltfreundliches Produkt.
„Die synthetisierten Sc2N6-, Sc2N8- und ScN5-Feststoffe sind vielversprechende Materialien mit hoher Energiedichte, deren berechnete volumetrische Energiedichte, Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsdruck bis zu dreimal höher sind als die des herkömmlichen Sprengstoffs Trinitrotoluol (TNT)“, erklärt Prof. Leonid Dubovinsky von der Universität Bayreuth. „Die Hochdruckchemie zeigt die Existenz und Vielfalt von Polynitriden und eröffnet Perspektiven für ihre Anwendungen in Wissenschaft und Technik.“
Materialien mit hoher Energiedichte sind aufgrund ihrer überlegenen energetischen Leistung, zu der eine hohe Detonationsgeschwindigkeit, ein hoher Detonationsdruck und eine hohe Energiespeicherkapazität gehören, für verschiedene Anwendungen von zentraler Bedeutung, etwa in der Weltraumforschung als Raketentreibstoffe oder in der Verteidigung als Sprengstoffe.
