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Polymerer Stickstoff: Kohlenstoffnanoröhren stabilisieren Super-Sprengstoffe

Kettenmoleküle aus Stickstoff sind enorm energiereich. Leider zerfallen sie sehr schnell. Computermodelle zeigen, dass sie auch stabil sein könnten - und damit technisch nutzbar.
Eine Kontrollierte Sprengung in einem Steinbruch erzeugt Staubsäulen.

Kettenmoleküle, die nur als Stickstoff bestehen, gehören zu den energiereichsten Stoffen überhaupt – dadurch ist dieser polymere Stickstoff aber zu instabil, um einen praktischen Nutzen zu haben. Kohlenstoffnanoröhren könnten dieses Problem womöglich lösen, berichtet nun eine Arbeitsgruppe um Chi Ding von der Nanjing University. Laut ihrer aktuellen Veröffentlichung in der Zeitschrift »Chinese Physics Letters« bilden sich im Inneren von Kohlenstoffnanoröhren bisher unbekannte Strukturen aus reinem Stickstoff, die sehr energiereich, aber höchstwahrscheinlich bei Raumtemperatur stabil sind. Das Team untersuchte die möglichen Strukturen von Stickstoff in den Röhren mit Hilfe zweier Simulationsverfahren, um ihre Stabilität zu ermitteln. Allerdings ist bisher noch unklar, ob und wie sich die stabilen Super-Sprengstoffe in der Praxis herstellen lassen.

Dass Kettenmoleküle aus Stickstoff so gut als Sprengstoff geeignet sind, liegt am zweiatomigen Stickstoff (N2). Dieses Molekül, das auch rund vier Fünftel der Erdatmosphäre ausmacht, ist wegen der Dreifachbindung zwischen den beiden Atomen eines der stabilsten Moleküle überhaupt. Polymerer Stickstoff, in dem die Atome über Einfach- und Doppelbindungen verknüpft sind, hat die Neigung, sich zu N2 umzulagern und dabei sehr viel überschüssige Energie abzugeben. Das und dass dabei lediglich ein ungiftiges Gas entsteht, macht solche Moleküle als technische Sprengstoffe begehrt.

Deswegen braucht man für die Forschung von sehr stickstoffreichen Molekülen wie Isocyanogentetraazid (C2N14) starke Nerven und gute Schutzkleidung. Oder man macht das, wie das Team um Ding, im Computer. Die Arbeitsgruppe modellierte die Energielandschaft im Inneren von Kohlenstoffnanoröhren und erzeugte mit einem Maschinenlernalgorithmus möglicherweise stabile Strukturen aus Stickstoff. Ob die wirklich funktionieren, prüfte das Team schließlich mit einem klassischen Molekulardynamik-Programm.

Neben zwei bekannten Strukturen entdeckte die Arbeitsgruppe dabei drei weitere, bisher unbekannte Möglichkeiten, wie sich Stickstoffatome in Kohlenstoffnanoröhren zu Ketten oder Röhren anordnen können. Sie passen sich nicht nur in die Kohlenstoffnanoröhren ein, sondern verformen diese laut den Simulationen auch, so dass sie nicht mehr rund sind, sondern oval. Die Daten deuten darauf hin, dass die so eingekapselten Moleküle aus Stickstoff selbst unter Alltagsbedingungen stabil sind, aber gleichzeitig die doppelte Energiedichte des Sprengstoffs TNT hat.

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