Взрывоопасное открытие: где российские химики нашли неожиданный источник энергии

Российские ученые открыли вещества, в которых можно запасти почти столько же энергии, сколько в тротиле. Поразительно, но эти молекулы состоят только из углерода и кислорода. Открытие показывает, что даже из простых и хорошо известных компонентов можно создать неизвестные соединения с огромным потенциалом. Работой руководил Артем Оганов, в прошлом году вошедший в список самых цитируемых ученых в мире. 

Карточный домик из бетонных плит

Школьная химия учит нас, что оксиды углерода — это углекислый газ (CO₂) и угарный газ (CO). Действительно, при горении углерода образуются именно эти вещества. Но в более сложных процессах можно получить совсем другие соединения углерода с кислородом, или оксокарбоны. Атомы углерода умеют выстраиваться в длинные цепочки, кольца и сети, похожие на пчелиные соты. К этим структурам прикрепляются атомы кислорода, обычно по краям. Например, уже около 200 лет известно вещество C₁₂O₉. Но никто не исследовал возможное разнообразие оксокарбонов так последовательно и систематически, как группа Оганова в недавней работе.

Эти затейливые молекулы интересны тем, что в них может быть запасена огромная энергия. Чтобы понять, как это работает, представьте себе бетонные плиты. Их можно сложить в штабель или свалить в кучу. Плитам в куче или штабеле некуда падать, они и без того лежат так низко, как могут, и прочно опираются на «соседей снизу». Так что эти конструкции трудно развалить. Совсем другая картина получится, если соорудить из плит подобие карточного домика, ставя их наклонно в несколько этажей. По сравнению с заурядной кучей это будет сложная и высокая конструкция. Однако «карточный домик» из бетонных плит — опасное и неустойчивое сооружение, потому что стоящей на торце плите есть куда падать. В ней запасена гравитационная энергия, как и во всяком грузе, поднятом над землей. Если плита упадет, ее энергия высвободится. При этом она заденет и обрушит соседние плиты. Сложное сооружение развалится, превратившись в обычную невысокую кучу, а запасенная в нем энергия будет потрачена на удары плит о землю и друг о друга, и лучше не оказываться у них на пути. 

Сложная молекула из углерода и кислорода — это аналог «карточного домика». От толчка она может разрушится, превратившись в несколько молекул углекислого газа — аналог беспорядочной кучи бетонных плит. Сколько энергии при этом выделится, зависит от конкретного соединения. По расчетам Оганова и коллег, вещество C₄O₉ — потенциальная взрывчатка, всего на 19% уступающая по мощности тротилу. Лишь немного отстают C₄O₈, C₆O₁₂ и C₆O₁₃: они несут более 75% энергии тротила. Все четыре соединения можно синтезировать, причем последние два ранее не были известны. 

Подрывное дело — лишь одно из множества потенциальных применений оксокарбонов. Мощные энергоносители можно использовать, например, как ракетное топливо. Свой интерес у производителей литий-ионных аккумуляторов. Электроды из некоторых оксокарбонов значительно улучшают характеристики этих повсеместно используемых «батареек».

Устойчивое решение

Соорудить карточный домик из бетонных плит не так-то просто. Большинство конструкций будут настолько неустойчивы, что разрушатся еще на этапе строительства. Точно так же большинство потенциальных оксокарбоновых молекул либо вообще не образуются, либо распадутся, едва возникнув. Российские химики перебрали формулы C_xO_y для всех возможных значений x и y от 0 до 16. С помощью компьютерных расчетов ученые выясняли, возможна ли такая молекула вообще, насколько устойчивой она будет и сколько энергии несет.

Химики сравнили свои результаты с данными из популярной базы PubChem, куда стекаются результаты множества исследовательских работ. Оказалось, что группа из Сколково открыла на кончике пера 147 новых соединений, а еще для 38 нашла более устойчивое расположение атомов. В числе прочего нашлось 32 вещества, достаточно устойчивых для синтеза и достаточно энергоемких для того, чтобы служить взрывчаткой. Теперь химикам-экспериментаторам предстоит проверить выводы коллег, попытавшись создать в пробирке «вычисленные» теоретиками соединения.

Сокровища под ногами

Вычислительная химия набирает обороты по мере роста мощности компьютеров, появления новых алгоритмов и развития искусственного интеллекта. Но большинство исследований касается либо кристаллов, либо молекул сложного состава. Тому есть веские причины: разработчикам электроники обычно нужны кристаллы, а фармацевтам и биохимикам — многокомпонентные органические молекулы. Но, возможно, есть и некоторое предубеждение, что про молекулы простого состава — например, состоящие из углерода и кислорода — и так известно вполне достаточно. Работа группы Оганова разрушает этот стереотип, показывая, что неоткрытые сокровища иногда скрываются буквально под ногами у химиков.