מולקולת חנקן חדשה משנה את הכללים

חוקרים מאוניברסיטת גיסן בגרמניה הצליחו לראשונה לסנתז ולייצב מולקולה ניטרלית – כלומר, שאינה נושאת מטען חשמלי – המורכבת משרשרת של שישה אטומי חנקן. עד כה הייתה מוכרת רק מולקולה ניטרלית אחת של חנקן – N₂, שמורכבת משני אטומי חנקן ונחשבת יציבה במיוחד. כעת מצטרפת אליה המולקולה החדשה, N₆, שמורכבת משישה אטומים. זוהי הצורה הניטרלית השנייה של חנקן שתועדה אי-פעם, ואחת מהמולקולות העשירות ביותר באנרגיה שהצליחו לייצב. רוב מולקולות החנקן מהסוג הזה מתפרקות כמעט מייד לאחר שנוצרו, אך N₆ יוצאת דופן בכך שהיא יציבה יחסית בתנאי קור קיצוני – הישג חסר תקדים עבור מולקולה ניטרלית עשירה כל-כך באנרגיה. תכונה יוצאת דופן זו הופכת אותה לא רק להישג מדעי מרשים, אלא גם למועמדת מבטיחה למקור אנרגיה עתידי.

חנקן כמו שלא הכרתם

החנקן הרגיל, N₂, הוא גז יציב במיוחד הודות לקשר משולש חזק שמחבר בין שני אטומי החנקן. הוא מהווה כ-78 אחוזים מהאוויר וכמעט שאינו מגיב עם חומרים אחרים. לחנקן יש גם אָלוֹטְרוֹפּים – מולקולות-אחיות המורכבות אף הן מאטומי חנקן בלבד, אך נבדלות זו מזו במספר האטומים והקשרים ביניהם. כמו פחמן, שיכול להסתדר בדרכים שונות וליצור חומרים שונים, למשל גרפיט ויהלום, גם חנקן מסוגל ליצור מבנים מגוונים בעלי תכונות מולקולריות שונות. באלוטרופים כאלה, האטומים מחוברים בקשרים חלשים יחסית, ולכן הם נשברים בקלות ומתפרקים בחזרה למולקולה היציבה N₂. תהליך הפירוק משחרר אנרגיה רבה, בדומה לקפיץ שנדרך ונפתח בבת אחת. משום כך, מולקולות חנקן כאלה נחשבות מועמדות מעניינות לשימוש בדלקים רבי-עוצמה, חומרי נפץ או אמצעים חדשניים לאגירת אנרגיה.

עד כה הצליחו חוקרים לזהות רק מולקולות קטנות מאוד של חנקן – כמו יון האזיד (N⁻₃) או N₄ – שלרוב אינן יציבות, מתקיימות רק בצורת יונים, או מתפרקות במהירות. מולקולה ניטרלית המורכבת משישה אטומי חנקן המסודרים בשרשרת אחת לא נצפתה מעולם עד למחקר הנוכחי. יצירת אלוטרופ כזה מציבה אתגר כפול: גם סינתזה של חומר עתיר אנרגיה, וגם שמירה על יציבותו לאורך זמן.

כך נוצרה מולקולת N₆

החוקרים יצרו את מולקולת ה-N₆ בתגובה בין תרכובת אזיד מתכתית – חומר שמורכב מיון אזיד (N⁻₃) הקשור למתכת, למשל כסף חנקתי (AgN₃) – לבין גז כלור או ברום. לאחר מכן קיבעו את התוצר בתוך סביבה מוצקה של גז ארגון קפוא, בטמפרטורה של כ-263 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. המולקולה שהתקבלה מורכבת משישה אטומי חנקן מסודרים בשורה, עם ארבעה קשרים כפולים וקשר יחיד במרכז – תצורה יוצאת דופן וסימטרית במיוחד.

כדי לוודא שאכן זיהו את המבנה הנכון של המולקולה, החוקרים השתמשו בשתי דרכים משלימות. ראשית, הם ביצעו מדידות ספקטרוסקופיות – מדידות שמספקות לכל מולקולה מעין “טביעת אצבע” ייחודית. לאחר מכן הוסיפו סימון איזוטופי: הם יצרו גרסה נוספת של N₆, שבה הוחלפו אטומי החנקן הרגילים (שסימונם 14N) באיזוטופ כבד יותר (15N). שינוי כזה במסה האטומית משנה את תבנית המדידה בצורה שאפשר לחזות מראש, ואכן במדידות הופיע השינוי שחזו החישובים. ההתאמה בין התיאוריה לניסוי סיפקה הוכחה ברורה לכך שהמבנה שהוצע נכון.

עם זאת, המולקולה N₆ רחוקה מלהיות יציבה בתנאים רגילים. היא מתקיימת רק בקור קיצוני, ובחימום היא מתפרקת במהירות. החוקרים הצליחו לייצב את המולקולה בטמפרטורה של חנקן נוזלי (כ-196 מעלות צלזיוס מתחת לאפס) – טמפרטורה נמוכה במיוחד שמאיטה מאוד את תנועת האטומים ומונעת מהם להתפרק. בתנאים אלה N₆ מצליחה להחזיק מעמד זמן ממושך – הישג יוצא דופן לחומר עשיר כל כך באנרגיה, משום שככל שמולקולה אוגרת יותר אנרגיה בתוכה, כך היא נוטה להיות פחות יציבה.

בין עוצמה לחוסר יציבות

המבנה הקומפקטי של N₆ טומן בחובו פוטנציאל אנרגיה יוצא דופן: פירוק מולקולה אחת מניב שלוש מולקולות N₂ ומשחרר המון אנרגיה – יותר מכפול מחומרי נפץ מוכרים כמו TNT. אלא שהכוח הזה מתגלה כבלתי נשלט בתנאים רגילים: ניסויית, N₆ נמדדה רק בטמפרטורות קרות מאוד; חישובים תיאורטיים מצביעים על כך שבטמפרטורה של כ-196 מעלות צלזיוס מתחת לאפס זמן מחצית החיים של N₆ עשוי לעלות על מאה שנה, כלומר היא יציבה מאוד, אך בטמפרטורת החדר היא מתפרקת כמעט מיידית, בתוך אלפיות שנייה בלבד.

עבור החוקרים, זוהי הוכחת היתכנות לקיומה של מולקולה עתירת אנרגיה שיכולה להיות יציבה בתנאים מסוימים. עם זאת, הדרך להפוך אותה לחומר שימושי עדיין ארוכה: החוקרים מציינים כי המשך העבודה יתמקד בניסיון לייצב מולקולות דומות בטמפרטורות גבוהות יותר, או לשלב את N₆ בתוך פולימרים מוצקים. הגישה הזו עשויה להפחית את רגישותה של המולקולה לתנאים סביבתיים ולאפשר שחרור מבוקר של האנרגיה האצורה בה.

עצם הדגמת הקיום של מולקולה כה עתירת אנרגיה, גם אם רק בתנאים קיצוניים, מציתה את הדמיון. יידרש עוד מחקר רב כדי לברר אם מולקולות מהסוג הזה יוכלו לשמש בעתיד מקור אנרגיה שימושי. אם כן, הן עשויות להניע לא רק רקטות, אלא גם מהפכה בתחום האנרגיה הירוקה – ללא פליטות מזיקות וללא תוצרי לוואי מזהמים.