דוחסים חנקן ליצירת חומרים עתירי אנרגיה

חוקרים מהמעבדה הגיאופיסית של מכון קרנגי (Carnegie) מדווחים על שינויים בטמפרטורת ההתכה של חנקן מוצק בלחץ של 120 גיגהפסקלים (מעל מיליון אטמוספרות) ובטמפרטורה של 2200 מעלות צלזיוס

אטומי חנקן מעדיפים להתקיים כזוגות, מחוברים יחדיו ע”י אחד מהקשרים הכימיים החזקים ביותר בטבע. ע”י חשיפת תרכובות החנקן לטמפרטורות ולחצים קיצוניים מדענים הצליחו לקבל תובנות חדשות לא רק לגביי תרכובת זו אלא גם לגביי תרכובות דומות, כגון מימן.

בגיליון האלקטרוני הנוכחי של כתב-העת Physical Review Letters חוקרים מהמעבדה הגיאופיסית של מכון קרנגי (Carnegie) מדווחים על שינויים בטמפרטורת ההתכה של חנקן מוצק בלחץ של 120 גיגהפסקלים (מעל מיליון אטמוספרות) ובטמפרטורה של 2200 מעלות צלזיוס.

תוצאות אלו, בנוסף לשינויים הנראים במבנה של חנקן מוצק בלחץ גבוה, תוכלנה להוביל לסוגי דלק חדישים עתידיים מבוססי-חנקן או מימן בעלי תכולת אנרגיה גבוהה. פולימרים תיאורטיים של חנקן יוכלו להוביל לקבלת חומרים בעלי תכולת אנרגיה הגבוהה מכל חומר ידוע אחר.

החוקרים ממכון קרנגי ועמיתיהם מהמעבדה הלאומית של Lawrence Livermore דחסו חנקן נוזלי בהתקן המוכר בשם “תא-סדן יהלום” (diamond anvil cell) המייצר לחצים עצומים באמצעות דחיסת הדוגמא בין שתי אבני-יהלום באיכות מעולה. מאחר ויהלומים שקופים לרוב אורכי-הגל של האור הנראה, ניתן לחמם את הדוגמא במהלך הניסוי ע”י לייזר. שיטה המכונה ספקטרוסקופיית ראמאן משתמשת בקרינה הנפלטת מהדוגמא המחוממת לשם אבחון וזיהוי השינויים החלים במבנה המולקולארי שלה בזמן התרחשותם.

“עד היום, אף חוקר לא ערך תצפיות באתר ההתרחשות עצמו בדבר ההתנהגות של חנקן בתנאים קיצוניים כאלו של טמפרטורה ולחץ,” אומר החוקר הראשי. “המדידות שלנו לגביי ערכי ההתכה ומאפייני הריטוט (vibration) של הנוזל, כמתקבל ע”י ספקטרוסקופיית הראמאן, מעניקות לנו תמונה ברורה מאוד בדבר התנהגותם של אטומי החנקן והקשרים המולקולאריים ביניהם בתנאים אלו.”

תרשים של הטמפרטורות והלחצים בהם חומר משנה את מצב הצבירה שלו (מנוזל לגז או ממבנה גבישי אחד לאחר וכו') מכונה דיאגראמת פאזות. עבור חנקן, בדומה לרוב החומרים האחרים, אזורי הטמפרטורות והלחצים הגבוהים של דיאגראמת הפאזות הינם מתחמים שכמעט ולא נחקרו. חוקרים מקווים כי מתחמים עלומים אלו יהוו נקודות-מוצא חשובות לחומרים חדישים בעלי תכונות שימושיות.

בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי חנקן הינו גז, אך ניתן לקררו ולדחסו לצורה נוזלית או מוצקה בהתאם לטמפרטורה והלחץ המופעלים עליו. אפילו בעוברו בין הפאזות השונות החנקן נותר פרודה דו-אטומית המורכבת משני אטומים המחוברים ביניהם בקשר כימי חזק ועתיר אנרגיה – קשר משולש (triple bond).

“תרכובות חנקן נוטות להיות חומרים עתירי-אנרגיה,” אומר החוקר הראשי. “חנקן טהור יכול להיות דלק או חומר-נפץ רב-עוצמה אם היינו יכולים להבין כיצד לקשור אטומי חנקן לחומר בדרך אחרת מאשר בדרך של פרודה די-אטומית בקשר משולש. מחקרים אחרונים הצליחו להראות כי חנקן הופך למצב שאינו פרודתי ובעל קשר יחיד ולא משולש בלחצים גבוהים מאוד. אלו יוכלו לשמש כחומרים עתירי-אנרגיה אם ניתן יהיה להחזיקם בלחצים רגילים. ממצאי מחקרנו יוכלו לסייע בהדגמת הדרך להכנת חומרים אלו בתנאים הרבה פחות קיצוניים.”

למילוי הפערים בדיאגראמת הפאזות של החנקן יש השלכות חשובות למחקרם של חומרים חיוניים אחרים, מסביר החוקר. “חנקן הינו אב-טיפוס לפרודה די-אטומית. ידיעת דיאגראמת הפאזות שלו ותכונות נוספות תוכל להצביע על התנהגותם של חומרים די-אטומיים אחרים, בראשם מימן. תמורות מפתח רבות וכן תופעות אחרות מתרחשות בחנקן בלחצים נמוכים בהרבה מאלו של מימן,” הוא מסביר. “המימן הוא דלק העתיד. בתיאוריה, למימן יוכלו להיות תכונות מעניינות ביותר בלחצים גבוהים, ביניהן התנהגות מתכתית, וקיומם של מצבים על-מוליכים ועל-נוזליים (superfluid). השאלה האם ניתן לקבל חומרים בעלי תכונות כאלו ולשומרם בלחצים רגילים נותרה עדיין פתוחה. אולם, בזכות המחקר על החנקן אנו פוסעים קדימה במהירות לעבר פתרון שאלה זו.”

הודעת מכון המחקר