МИФИ готов предложить промышленности новый высокоэнергетический материал

Исследователи из НИЯУ «МИФИ» готовы предложить промышленности новый высокоэнергетический материал. При помощи компьютерного моделирования они предсказали механизм образования ковалентных кристаллов CL‑20, существование которых долгое время считалось невозможным.

текст: Анастасия Кожара

Высокоэнергетические материалы — ​класс новых энергоемких веществ, способных выделять большое количество энергии при относительно малой массе. Такие вещества используются в областях, где необходимо много энергии, — ​к примеру, в качестве топлива в аэрокосмической промышленности. Современные высокоэнергетические материалы имеют напряженный молекулярный остов, напоминающий сжатую пружину: разрушаясь под воздействием тех или иных факторов, остов отдает запасенную энергию деформации.
Коллектив молодых ученых из НИЯУ «МИФИ» нашел способ производства кристаллов CL‑20, которые могут стать основой энергоносителей и топливных элементов нового поколения. С помощью компьютерного моделирования они продемонстрировали механизм образования кристаллов, в которых отдельные молекулы связаны сильными ковалентными связями.
Химическое соединение CL‑20 было впервые синтезировано в 1987 году. Каркас молекулы, построенный из атомов углерода и водорода, очень сильно напряжен, но молекулы довольно устойчивы и притягиваются друг к другу, образуя кристаллы. У этого вещества есть существенный недостаток: связи между отдельными молекулами являются ван-дер-ваальсовыми, слишком слабыми, поэтому кристаллы имеют низкую плотность и плохую кинетическую устойчивость. Долгое время считалось, что сильная ковалентная связь между двумя молекулами CL‑20 невозможна, так как она их разрушит. Исследователи из МИФИ продемонстрировали, что молекулы CL‑20 способны образовывать ковалентные массивы при помощи специальных молекулярных мостиков — ​метиленовых соединителей (–CH₂–).
«В рамках теории функционала электронной плотности с использованием современных графических процессоров было доказано, что ковалентные системы CL‑20 становятся все более устойчивыми по мере увеличения их размеров. При этом ковалентное связывание способно обеспечить более плотную упаковку отдельных фрагментов CL‑20 в кристалле, что благоприятно скажется не только на энергоэффективности этих соединений, но и повысит их кинетическую устойчивость. Таким образом, перспективы создания объемных ковалентных кристаллов выглядят достаточно оптимистично», — ​комментирует работу группы доцент кафедры физики конденсированных сред МИФИ Константин Катин.
Исследователи рассчитали геометрию и энергетические характеристики ковалентных комплексов на основе CL‑20, а также описали их электронные свойства и вычислили некоторые индексы реакционной способности: химический потенциал, химическую твердость и мягкость, электроотрицательность и электрофильность. Более того, оказалось, что предложенный учеными НИЯУ «МИФИ» подход универсален и может использоваться для построения других энергоемких кристаллов. Разработка технологических методов создания ковалентных кристаллов при помощи подбора правильных молекулярных мостиков может стать следующим шагом в инженерии высокоэнергетических кристаллических форм.
Результаты исследований группы были опубликованы в британском журнале CrystEngComm Королевского химического общества и отмечены грантом президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых — ​кандидатов наук. Исследователи продолжат работу в этом направлении — ​они собираются экспериментально проверить свойства кристаллов и найти технологию их дешевого производства.