Wetenschappers hebben lang getheoretiseerd dat de energie die is opgeslagen in de atomaire bindingen van stikstof ooit een bron van schone energie zou kunnen zijn. Maar de stikstofatomen zover krijgen dat ze zich met elkaar verbinden, was een ontmoedigende taak. Onderzoekers van het C&J Nyheim Plasma Institute van de Drexel University hebben eindelijk bewezen dat het experimenteel mogelijk is - met enige aanmoediging van een vloeibare plasmavonk.

Gerapporteerd in de Journal of Physics D:Applied Physics , de productie van pure polymere stikstof - polystikstof - is mogelijk door een verbinding genaamd natriumazide te zappen met een straal plasma in het midden van een superkoelende wolk van vloeibare stikstof. Het resultaat is dat zes stikstofatomen aan elkaar zijn gebonden - een verbinding die ionisch wordt genoemd, of neutraal, stikstof-zes - waarvan wordt voorspeld dat het een extreem energiedicht materiaal is.

"Polystikstof wordt onderzocht voor gebruik als een 'groene' brandstofbron, voor energieopslag, of als een explosief, " zei Danil Dobrynin, doctoraat, een geassocieerd onderzoeksprofessor aan het Nyheim Institute en hoofdauteur van het artikel. "Versies ervan zijn experimenteel gesynthetiseerd - maar nooit op een manier die stabiel genoeg was om te herstellen naar omgevingscondities of in pure stikstof-zes-vorm. Onze ontdekking met behulp van vloeibaar plasma opent een nieuwe weg voor dit onderzoek dat zou kunnen leiden tot een stabiel polystikstof ."

Eerdere pogingen om het energetische polymeer te genereren, hebben hoge druk en hoge temperatuur gebruikt om binding van stikstofatomen te lokken. Maar geen van beide methoden leverde voldoende energie om de vereiste ionen - atomaire bindmiddelen - te exciteren om een ​​stabiele vorm van stikstof-zes te produceren. En de polymere stikstof die in deze experimenten werd gecreëerd, kon niet op een druk en temperatuur worden gehouden die dicht bij normaal was, omgevingsomstandigheden.

Het is zoiets als proberen twee zware voorwerpen aan elkaar te lijmen, maar alleen sterk genoeg zijn om een ​​paar druppels lijm uit de fles te persen. Om een ​​band sterk genoeg te maken om stand te houden, er is een kracht nodig die sterk genoeg is om veel lijm eruit te persen.

die kracht, volgens de onderzoekers is een geconcentreerde ionenexplosie die wordt geleverd door vloeibaar plasma.

Vloeibaar plasma is de naam die wordt gegeven aan een emissie van een ionendichte materie die wordt gegenereerd door een gepulseerde elektrische vonk die wordt ontladen in een vloeibare omgeving - een beetje zoals bliksem in een fles. Vloeibare plasmatechnologie bestaat amper tien jaar, hoewel ze al veel belooft. Het werd ontwikkeld door onderzoekers van het Nyheim Institute die het gebruik in verschillende toepassingen hebben onderzocht, van gezondheidszorg tot voedselbehandeling.

Omdat het plasma in vloeistof is omhuld, is het mogelijk om de omgeving onder druk te zetten, evenals het regelen van de temperatuur. Dit niveau van controle is het belangrijkste voordeel dat de onderzoekers nodig hadden om polystikstof te synthetiseren, omdat het hen in staat stelde de reactie nauwkeuriger te starten en te stoppen om het geproduceerde materiaal te behouden. Dobrynin en zijn medewerkers meldden voor het eerst hun succesvolle poging om polystikstof te produceren met behulp van plasma-ontladingen in vloeibare stikstof in een brief in de Journal of Physics D:Applied Physics gedurende de zomer.

In hun meest recente bevindingen, de plasmavonk stuurde een geconcentreerde regen van ionen naar het natriumazide - dat stikstof-drie moleculen bevat. De explosie van ionen splitst de stikstof-drie moleculen van het natrium en, in de aangeslagen toestand, de stikstofmoleculen kunnen met elkaar binden. Niet verrassend, de reactie produceert een flinke hoeveelheid warmte, dus om erop te remmen is een ongelooflijke kou nodig - die van vloeibare stikstof.

"Wij geloven dat deze procedure succesvol was bij het produceren van pure polystikstof waar anderen tekortschoten, vanwege de dichtheid van de betrokken ionen en de aanwezigheid van vloeibare stikstof als blusmiddel voor de reactie, " zei Dobrynin. "Andere experimenten introduceerden hoge temperaturen en hoge drukken als katalysatoren, maar ons experiment was een preciezere combinatie van energie, temperatuur, elektronen en ionen."

Bij inspectie met een Raman-spectrometer - een instrument dat de chemische samenstelling van een materiaal identificeert door de reactie op laserstimulus te meten - produceerde het met plasma behandelde materiaal waarden die consistent waren met de voorspelde waarden voor puur polystikstof.

"Dit is behoorlijk belangrijk omdat wetenschappers tot nu toe alleen stabiele polystikstofverbindingen in de vorm van zouten hebben kunnen synthetiseren - maar nooit in een zuivere stikstofvorm zoals deze bij bijna-omgevingsomstandigheden, " zei Dobrynin. "De stof die we hebben geproduceerd is stabiel bij atmosferische druk bij temperaturen tot ongeveer -50 Celsius."

Plasma, in zijn oorspronkelijke gasrijke omgeving, is al tientallen jaren in ontwikkeling als sterilisatietechnologie voor water, voedsel en medische apparatuur en het wordt ook onderzocht voor coatingmaterialen. Maar dit is de eerste keer dat vloeibaar plasma wordt gebruikt om een ​​nieuw materiaal te synthetiseren. Dus, deze doorbraak kan een buigpunt blijken te zijn in plasmaonderzoek, bij het Nyheim Institute en in het hele veld.

"Deze ontdekking opent een aantal opwindende mogelijkheden voor het produceren van polymere stikstof als brandstofbron, " zei Alexander Fridman, doctoraat, John A. Nyheim Chair professor in Drexel's College of Engineering en directeur van het C&J Nyheim Plasma Institute en co-auteur van het artikel. "Deze nieuwe, schone, energierijke brandstof kan een nieuw tijdperk van auto's en massatransport mogelijk maken. Het zou zelfs de doorbraak kunnen zijn die nodig is om de verkenning van afgelegen gebieden in de ruimte mogelijk te maken."