مادة نيتروجينية وُلدت تحت ضغط هائل: الهيدروجين يشبك سلاسلها الذرية

ببساطة

صنع باحثون مادة جديدة من النيتروجين والهيدروجين لا تتكوّن إلا تحت ضغط شديد، ووجدوا أن ذرات الهيدروجين تساعد على ربط سلاسل النيتروجين معًا. تكشف النتيجة عن طريقة جديدة لترتيب هذين العنصرين، لكنها لا تعني أن المادة يمكن استخدامها عمليًا الآن؛ إذ لم تُظهر الحسابات أنها تبقى مستقرة عند الضغط العادي.

داخل خلية صغيرة محاطة بأطراف ألماسية، دفعت مجموعة بحثية النيتروجين والهيدروجين إلى ظروف تتجاوز بكثير ما يوجد على سطح الأرض. والنتيجة كانت بلورة ذات تركيب غير مألوف، صيغتها N3H2: ذرات نيتروجين متصلة في سلاسل طويلة، فيما تؤدي ذرات الهيدروجين دور الجسور بين السلاسل. وتقدم الدراسة، التي أعدها أوريليانو رانييري وجان جينيست وزملاؤهما ونُشرت في مجلة Nature Communications، أول دليل تجريبي على تكوّن بنية بوليمرية ممتدة من النيتروجين والهيدروجين.

لماذا يبحث العلماء عن نيتروجين بوليمري؟

في الظروف المعتادة، يوجد النيتروجين غالبًا على هيئة جزيئات N2، ترتبط ذرتا كل جزيء فيها برابطة ثلاثية قوية. أما في بعض المواد المسماة بوليمرية، فتترابط ذرات النيتروجين بروابط أحادية ضمن شبكات أو سلاسل. والفرق بين هذين النمطين من الروابط مهم: إذا تحولت شبكة الروابط الأحادية إلى جزيئات N2 ذات الروابط الثلاثية، فقد تنطلق طاقة كبيرة.

لهذا السبب يدرس العلماء المواد النيتروجينية البوليمرية بوصفها أنظمة ذات كثافة طاقية مرتفعة محتملة، كما أن تحولها إلى غاز النيتروجين جعلها موضع اهتمام أبحاث الدفع. لكن الفكرة تواجه عقبتين أساسيتين: تكوين هذه البنى يحتاج إلى ضغوط شديدة، كما أن إبقاءها متماسكة بعد خفض الضغط أمر صعب. وقد طُرح الهيدروجين سابقًا بوصفه عنصرًا قد يساعد على تهدئة بعض المواقع النيتروجينية النشطة وتثبيت الشبكة، إلا أن التجارب السابقة على خليط العنصرين لم تثبت تكوّن سلاسل بوليمرية ممتدة.

تكوين البلورة في نطاق ضيق من الضغط

اختبر الفريق مخاليط غازية عالية النقاوة من النيتروجين والهيدروجين بنسب عنصرية مختلفة، مستخدمًا أربع خلايا سندان ماسي. تحصر هذه الخلايا عينة صغيرة بين سطحين من الألماس، ما يسمح بتعريضها لضغط بالغ الارتفاع. ووصلت التجارب إلى 139 غيغاباسكال، مع تسخين العينات بالليزر لتحفيز التفاعلات. واستخدم الباحثون ليزر ألياف الإيتربيوم أو ليزر ثاني أكسيد الكربون بحسب إعداد التجربة.

لم يظهر المركب N3H2 في كامل مجال الضغط الذي اختُبر. فقد تحقق تكوينه عند 134(3) إلى 139(1) غيغاباسكال، وأُعيد إنتاجه في خلية ماسية ثانية عند 134(3) غيغاباسكال. أما عند 110(3) غيغاباسكال وما دون ذلك، فقد أدى التسخين بالليزر إلى تحلل مواد أمورفية سابقة من مركبات النيتروجين والهيدروجين، بدلًا من إنتاج البنية البلورية المطلوبة. وتبيّن هذه النتيجة أن تكوين المادة يعتمد على نافذة ضغط مرتفعة ومحددة، لا على مجرد جمع العنصرين وتسخينهما.

لتمييز ترتيب الذرات، جمع الفريق بين حيود الأشعة السينية للبلورات المفردة وقياسات رامان. أُجريت قياسات الحيود باستخدام مصادر الضوء السنكروتروني في مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي ESRF ومركز DESY الألماني. كما استعان الباحثون بحسابات نظرية وظيفية الكثافة، وبطريقة البحث العشوائي عن البنى الذرية، لمقارنة النماذج المحتملة واختبار خصائص التركيب الذي قاسوه.

حلقات نيتروجينية تتصل في سلاسل

أظهرت النتائج أن ذرات النيتروجين في N3H2 ترتبط بروابط أحادية، وترتب نفسها في حلقات سداسية متموجة تُعرف بحلقات N6. وتأخذ هذه الحلقات شكلًا يشبه وضعية الكرسي، ثم تتصل الواحدة بالأخرى لتكوين سلاسل ممتدة في اتجاه المحور البلوري c. وبذلك لا تكون العينة مجرد مجموعة جزيئات صغيرة منفصلة، بل شبكة ذات امتداد أحادي البعد. كما تحيط بكل ذرة نيتروجين ثلاثة روابط ضمن هيئة هرمية، وهو ترتيب ينسجم مع وصف التهجين sp³.

تكمن إحدى أهم سمات التركيب في أن سلاسل النيتروجين لا تقف منفردة؛ إذ تربطها فيما بينها روابط هيدروجينية. ووفق التحليل البنيوي، تستطيع الوحدة N6H4 أن تمنح أربع روابط هيدروجينية وتستقبل أربعًا أخرى، أي ثماني روابط إجمالًا، وتتصل عبرها بست وحدات مجاورة موزعة على ست سلاسل منفصلة. ينتج عن ذلك تشابك يربط السلاسل ويمنح البنية تماسكًا إضافيًا في ظروف الضغط العالي.

لم يكن تحديد مواضع الهيدروجين أمرًا يسيرًا. فذرة الهيدروجين لا تملك إلا إلكترونًا واحدًا، ولذلك تبعثر الأشعة السينية بدرجة ضعيفة مقارنة بذرات أثقل. لكن حساسية أجهزة الكشف الحديثة وشدة حزم السنكروترون أتاحت للفريق رصد كثافة إلكترونية موضعية تتوافق مع مواقع الهيدروجين عند ضغط 139 غيغاباسكال. واستخدم الباحثون طولًا مقداره 1.07(2) أنغستروم لرابطة N–H في تنقيح النموذج البنيوي، ثم دعموا هذا التحديد بمقارنته مع كيمياء البلورات والحسابات النظرية. كما أدى إدخال مواقع الهيدروجين إلى تحسين التوافق بين النموذج والبيانات المقاسة.

خصائص محسوبة وحدود لا تزال قائمة

تشير الحسابات إلى أن للمركب فجوة إلكترونية تبلغ نحو 3.75 إلكترون فولت عند ضغط 139 غيغاباسكال. وقدّر الباحثون معامل الحجم بنحو 31 غيغاباسكال، وهو ما يعني أن المادة أكثر قابلية للانضغاط من النيتروجين البوليمري النقي. وهذه نتائج محسوبة من بنية المادة وخصائصها، وليست قياسات مباشرة لكل سمة في ظروف الاستخدام العادي.

كما حسب الفريق طاقة تحلل افتراضية للمركب عند الضغط المحيط مقدارها 7.98 كيلوجول لكل غرام، للتفاعل: 6N3H2 → 7N2 + 4NH3. وتقع هذه القيمة فوق الأرقام المنشورة لمادة TNT، البالغة 4.2 كيلوجول لكل غرام، ولمادة HMX، البالغة 5.7 كيلوجول لكل غرام. غير أن المقارنة لا تعني أن N3H2 مادة متاحة أو قابلة للاستخدام؛ فالرقم تقدير نظري للطاقة، وليس نتيجة تجربة قاست انطلاقها فعليًا، كما أن تصنيع المركب تطلب ضغطًا استثنائيًا.

وتقدم حسابات الاستقرار صورة أكثر تعقيدًا من رقم الطاقة وحده. فعند 100 غيغاباسكال وما فوق، بدا N3H2 مفضلًا من ناحية الطاقة مقارنة بالأطوار المنافسة التي قورنت به. وعند ضغوط أدنى، أصبح طور NH4–N5، ذي النسبة الإجمالية نفسها من النيتروجين، مفضلًا حتى 20 غيغاباسكال. كذلك أشارت حسابات اهتزاز الشبكة إلى أن البلورة مستقرة عند 30 غيغاباسكال، لكنها غير مستقرة عند صفر غيغاباسكال؛ إذ تضعف الروابط الهيدروجينية وإحدى روابط N–N داخل السلسلة مع هبوط الضغط.

ماذا بقي من المادة أثناء فك الضغط؟

تابع الباحثون العينة خلال تخفيف الضغط باستخدام أدوات قياس مختلفة. استمرت بيانات حيود الأشعة السينية حتى 58(1) غيغاباسكال، في حين أمكن تتبع أنماط رامان المميزة إلى 26(3) غيغاباسكال. ولم تظهر التغيرات المسجلة في نمط الحيود أو ترددات الاهتزازات علامة واضحة على انتقال طوري ضمن المجال الذي غطته كل وسيلة. وهذه الملاحظة تعني أن البنية لم تُظهر تحولًا مرصودًا حتى تلك الحدود، ولا تثبت أنها تستطيع البقاء سليمة عند الضغط العادي.

انتهت تجربتا فك الضغط عندما انكسرت سواعد الألماس، وفقد الفريق العينات. لذلك لم يتمكن الباحثون من مواصلة القياس حتى الوصول إلى الضغط المحيط أو اختبار استعادة المادة بعد إخراجها من الخلية. ويتفق هذا القيد مع الحسابات التي تتوقع عدم استقرار البلورة عند صفر غيغاباسكال، ما يجعل مسألة الاحتفاظ بها خارج بيئة الضغط العالي سؤالًا مفتوحًا، لا إنجازًا تحقق بالفعل.

أهمية الكشف تتجاوز المركب نفسه

إلى جانب تحديد N3H2، تبرز الدراسة لأن مواقع ذرات الهيدروجين قُرئت مباشرة في بيانات حيود الأشعة السينية عند 139 غيغاباسكال. ويذكر الباحثون أن هذا يتجاوز كثيرًا الحد السابق الذي أمكن عنده تحديد ذرات هيدروجين منفردة بهذه الطريقة، وكان يقارب 25 غيغاباسكال. ومن ثم، فإن أهمية التطور لا تقتصر على صيغة كيميائية جديدة؛ بل تشمل إظهار قدرة أدوات السنكروترون الحديثة على تحليل مواد خفيفة الذرات في ظروف كانت تصعّب رؤيتها.

وقد تفيد هذه القدرة في دراسة مواد أخرى مكونة من عناصر خفيفة تتشكل تحت ضغوط عالية. أما الخطوة التالية التي يطرحها العمل فهي البحث عن تفاعلات أقوى من الروابط الهيدروجينية، ربما تساعد على دعم السلاسل النيتروجينية عند خفض الضغط. فالوصول إلى تركيب جديد تحت الضغط إنجاز بنيوي، بينما جعله قابلًا للاستعادة أو الاستخدام تحدٍّ منفصل يتطلب حلولًا لم تقدمها هذه التجارب بعد.

وقد تكون لمركبات النيتروجين والهيدروجين أهمية أيضًا عند دراسة المواد داخل العوالم الجليدية، حيث تتوافر ضغوط ودرجات حرارة مرتفعة. لكن مؤلفي الدراسة ينبهون إلى أن وفرة N3H2 قد تكون محدودة في كثير من تلك البيئات، بسبب انخفاض نسبة النيتروجين إلى الهيدروجين واستقرار الأمونيا عبر مجال الضغط المدروس. مع ذلك، فإن وجود هذا الطور يضيف احتمالًا جديدًا إلى الخرائط الكيميائية التي يعتمد عليها الباحثون لفهم المواد متعددة العناصر في هذه العوالم.

الخاتمة

نجح فريق رانييري وجينيست وزملائهما في إثبات وجود بنية بوليمرية من النيتروجين والهيدروجين عند ضغوط بلغت 134(3)–139(1) غيغاباسكال. تتألف N3H2 من حلقات نيتروجينية متصلة في سلاسل، وتربط الروابط الهيدروجينية تلك السلاسل في شبكة، فيما أتاح حيود الأشعة السينية تحديد مواقع الهيدروجين عند 139 غيغاباسكال. وتقدم المادة قيمة طاقة تحلل محسوبة تبلغ 7.98 كيلوجول لكل غرام، لكنها لا تزال غير مستقرة وفق الحسابات عند الضغط العادي، ولم تُستعد من التجارب. لذا يتمثل الإنجاز الأوضح في توسيع معرفة العلماء بكيمياء النيتروجين والهيدروجين وتحسين قدرتهم على رؤية ذرات خفيفة تحت ضغط بالغ، لا في إثبات تطبيق عملي قريب.