В дуговой печи лаборатории Юнга синтезируется диборид марганца. Фото: Брайан Бушер

Химики из Университета Олбани разработали высокоэнергетическое соединение, которое может заменить ракетное топливо и сделать космические путешествия более эффективными. При воспламенении это соединение выделяет значительно больше энергии на единицу веса и объёма, чем современные виды топлива.

Для ракет это означает, что для достижения той же продолжительности полёта или той же грузоподъёмности потребуется меньше топлива, а значит, останется больше места для необходимого оборудования и припасов. Исследование было опубликовано в Журнале Американского химического общества.

«В космических кораблях пространство ценится на вес золота, — сказал доцент кафедры химии Майкл Юнг, чья лаборатория руководила работой. — Каждый сантиметр должен быть использован эффективно, а всё, что находится на борту, должно быть как можно легче. Создание более эффективного топлива с использованием нашего нового соединения позволит сократить пространство, необходимое для хранения топлива, и освободить место для оборудования, в том числе для исследовательских инструментов. На обратном пути это может означать, что у нас будет больше места для доставки образцов на Землю».

Аспирант Университета Аберистуита Джозеф Доан готовит дуговую плавильную печь для синтеза диборида марганца. Фото: Брайан Бушер

Соединение диборид марганца (MnB2) имеет более высокую плотность энергии по массе и примерно на 150 % выше по объёму по сравнению с алюминием, который в настоящее время используется в твердотопливных ракетных ускорителях. Несмотря на свою эффективность, он удивительно стабилен и воспламеняется только при контакте с источником воспламенения, таким как керосин.

Помимо использования в ракетных двигателях, структура MnB2 на основе бора обладает широким спектром применения. Исследования лаборатории Йенга показывают, что она также может укреплять каталитические нейтрализаторы в автомобилях и выступать в качестве катализатора для разложения пластика.

Чтобы произвести тепло, нужно тепло

Диборид марганца входит в группу химических соединений, которые, как давно предполагалось, обладают необычными свойствами, но прогресс в их изучении сдерживался сложностью получения этого материала.

«Дибориды впервые привлекли к себе внимание в 1960-х годах, — рассказал аспирант Университета Олбани Джозеф Доан, который работает с Йенгом. — С тех пор благодаря новым технологиям мы можем синтезировать химические соединения, существование которых раньше было лишь гипотезой.

Молекулярная модель диборида марганца. Источник: Брайан Бушер

«Зная то, что нам известно об элементах периодической таблицы, мы предположили, что диборид марганца будет структурно асимметричным и нестабильным — эти факторы в совокупности делают его высокоэнергетическим. Но до недавнего времени мы не могли это проверить, потому что его нельзя было получить. Успешный синтез чистого диборида марганца сам по себе является выдающимся достижением. Теперь мы можем проверить это экспериментальным путём и найти новые способы его применения».

Для производства диборида марганца требуется очень высокая температура, которую обеспечивает устройство, известное как «дуговой плавитель» Для начала порошки марганца и бора прессуются в гранулы и помещаются в камеру из армированного стекла Затем на гранулы подаётся слабый электрический ток, который нагревает их почти до 3000 °C (более 5000 °F) Расплавленное вещество быстро охлаждается, чтобы сохранить его структуру. На атомном уровне этот процесс заставляет центральный атом марганца связываться с большим количеством атомов, чем обычно, создавая плотную структуру, сжатую, как витая пружина.

Разблокировка структуры посредством деформации

При изучении новых химических соединений крайне важно иметь возможность их физического получения. Кроме того, необходимо уметь определять их молекулярную структуру, чтобы лучше понимать, почему они ведут себя именно так.

Аспирант Университета Олбани Грегори Джон, работающий с химиком-вычислителем Аланом Ченом, создал компьютерные модели для визуализации молекулярной структуры диборида марганца. Эти модели выявили важную особенность: небольшое искажение, известное как «деформация», которое придаёт соединению высокую потенциальную энергию.

Доцент Майкл Юнг. Фото: Брайан Бушер

«Наша модель соединения диборида марганца похожа на поперечный срез сэндвича с мороженым, где внешнее печенье представляет собой решётчатую структуру, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников, — сказал Джон. — Если присмотреться, можно заметить, что шестиугольники не идеально симметричны; все они немного перекошены. Это то, что мы называем «деформацией». Измерив степень деформации, мы можем использовать этот показатель для определения количества энергии, запасённой в материале». В этом перекосе и заключается энергия.

Вот ещё один способ представить это.

«Представьте себе плоский батут: когда он плоский, в нём нет энергии, — сказал Юнг. — Если я положу в центр батута огромный груз, он растянется. Это растяжение представляет собой накопленную батутом энергию, которая высвободится, когда груз будет снят. Когда наше соединение воспламеняется, это похоже на снятие груза с батута, и энергия высвобождается».

Новые материалы требуют новых Соединений

«Химики сходятся во мнении, что соединения на основе бора должны обладать необычными свойствами, которые отличают их от других существующих соединений, — говорит доцент кафедры химии Алан Чен. — Сейчас ведутся исследования, чтобы выяснить, в чём заключаются эти свойства и особенности поведения. Подобные исследования лежат в основе материаловедения, где для создания более твёрдых, прочных и экстремальных материалов требуется разработка совершенно новых химических веществ. Именно этим и занимается лаборатория Юнга, и её открытия могут улучшить ракетное топливо, каталитические нейтрализаторы и даже процессы переработки пластика.

«Это исследование также является отличным примером научного подхода, при котором учёные изучают интересные химические свойства, даже если не знают, как именно они могут быть применены. Иногда, как и в данном случае, результаты оказываются неожиданными».

Лаборатория Майкла Юнга в здании ETEC Университета Олбани. Фото: Брайан Бушер

Интерес Йенга к соединениям бора зародился, когда он был аспирантом Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Его проект был направлен на поиск соединений, которые были бы твёрже алмаза.

«Я отчётливо помню, как впервые получил соединение, связанное с диборидом марганца, — сказал Юнг. — Я держал в руках этот новый материал, который должен был быть очень твёрдым. Но вместо этого он начал нагреваться и приобрёл красивый оранжевый цвет. Я подумал: «Почему он оранжевый? Почему он светится? Он не должен светиться!» Тогда я понял, насколько энергичными могут быть соединения бора. Я вбил в него гвоздь, чтобы изучить его в будущем, и именно над этим мы сейчас работаем».

Ссылка: «Нарушения координации: исследование метастабильных диборидов с помощью энергетических переходных металлов» Джозефа Т. Доуна, Грегори М. Джона, Альмы Колакджи, Абрахама А. Розенберга, Ирен Чжан, Алана А. Чена и Майкла Т. Йенга, 2 мая 2025 г., Журнал Американского химического общества. DOI: 10.1021/jacs.5c04066