Theoretical Research on Tetrazine-Based Nitrogen-Chain Energetic Materials: Balancing Detonation Performance and Sensitivity via Structural Regulation

غالبًا ما تُقيّم المتفجرات ووقود الصواريخ من خلال عملية توازن صعبة؛ فمن ناحية، تبرز القوة الخام: القدرة على إطلاق كمية هائلة من الطاقة في جزء من الثانية، مما يخلق موجة صدمية قوية. ومن ناحية أخرى، تبرز السلامة: يجب أن تكون المادة مستقرة بما يكفي للتعامل معها ونقلها وتخزينها دون أن تنفجر عرضيًا نتيجة صدمة أو شرارة. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن مركبات تقع في المنتصف تمامًا، تقدم قوة السلاح عالي الأداء دون الطبيعة المتقلبة للمواد الكيميائية غير المستقرة. وقد كان التركيز الرئيسي في هذا البحث هو الجزيئات الغنية بالنيتروجين. فالنيتروجين فريد من نوعه لأنه يحب الارتباط بنفسه في سلاسل، وعندما تتفكك هذه السلاسل، فإنها تطلق طاقة هائلة بينما تتحول إلى غاز نيتروجين غير ضار. ومع ذلك، فإن بناء سلاسل طويلة من ذرات النيتروجين أمر صعب؛ فكلما زدت من حشد النيتروجين، أصبحت الجزيئة غالبًا أكثر عدم استقرارًا، مما يجعلها خطيرة جدًا للاستخدام.

لقد أخذ باحثون من جامعة هوانغ غانغ العادية في الصين نظرة جديدة على هذه المشكلة من خلال تصميم عائلة جديدة من الجزيئات النظرية. لقد بدأوا بهيكل حلقي محدد مكون من أربع ذرات نيتروجين، يُعرف باسم حلقة "تيترازين"، واستخدموه كعمود فقري لبناء سلاسل أطول من النيتروجين. وباستخدام محاكاة حاسوبية قوية، قاموا ببناء عشرات التنويعات من هذه الجزيئات لمعرفة أي منها يمكن أن يتماسك مع الاستمرار في تقديم دفعة طاقة هائلة. ويشير عملهم إلى أنه من خلال الترتيب الدقيق للذرات داخل إطار التيترازين هذا، من الممكن إنشاء مواد أكثر كثافة وقوة من التصاميم السابقة، ولكنها أكثر استقرارًا بكثير وأقل حساسية للمحفزات العرضية.

بدأ الفريق بتصميم سلسلة من الجزيئات التي تجمع بين حلقة التيترازين وسلاسل من النوايات يتراوح طولها من ست إلى عشر ذرات. وأجروا حسابات حاسوبية مفصلة لتحديد الشكل والكثافة وإمكانات الطاقة لكل تصميم. كانت النتائج واعدة؛ حيث يُتوقع أن تمتلك أكثر من نصف الجزيئات التي صمموها كثافة تزيد عن 1.80 جرام لكل سنتيمتر مكعب، مع وصول بعضها إلى 1.965 جرام لكل سنتيمتر مك cubic. وفي عالم المواد الطاقية، تعد الكثافة عاملاً حاسمًا لأن المادة الأكثر كثافة يمكنها إطلاق طاقة أكبر في مساحة أصغر. لم تكن هذه التصاميم الجديدة كثيفة فحسب، بل أظهرت أيضًا قدرة ملحوما عليها لتخزين الطاقة. فقد حسب الباحثون أن هذه الجزيئات يمكن أن تطلق ما بين 948.8 و1951 كيلوجول لكل مول، وهو رقم يتفوق بشكل كبير على الجزيئات المماثلة القائمة على حلقات كيميائية مختلفة.

وعندما قام الفريق بمحاكاة كيفية تصرف هذه المواد كمتفجرات، كانت الأرقام مبهرة بنفس القدر. تراوحت سرعة الموجة الصدمية المتوقعة التي ستنتقل عبر المادة من 8.926 إلى 11.32 كيلومتر في الثانية، والضغط المتولد سيصل بين 33.94 و59.18 جيجاباسكال. ولوضع هذا في المنظور، فإن هذه الأرقام تتجاوز أداء العديد من المواد عالية الطاقة الموجودة حاليًا والتي تُستخدم أو تُدرس. ولعل الأهم من ذلك، أن المحاكاة أشارت إلى أن هذه المواد يمكن أن تكون أكثر أمانًا في التعامل معها من سابقاتها. وبينما كانت بعض التصاميم الجديدة لا تزال حساسة للغاية للصدمات، أظهر الكثير منها قدرة أعلى بكثير على تحمل الصدمات الفيزيائية مقارنة بمركبات النيتروجين الغنية المماثلة، حيث تطلب بعضها ارتفاع سقوط يقارب 48 سنتيمترًا لإحداث تفاعل، مقارنة بعتبات أقل بكثير للمواد المعروفة الأخرى.

ويبدو أن سر هذا النجاح يكمن في الترتيب المحدد للذرات. فقد وجد الباحثون أن حلقة التيترازين وفرت أساسًا مستقرًا يمكن لسلاسل النيتروجين أن تتصل به دون أن تتفكك. ومع ذلك، كان الاستقرار دقيقًا؛ فعندما أضاف الفريق الكثير من مجموعات "النيترو" — وهي مجموعات من النيتروجين والأكسجين تعمل كوقود — إلى الحلقة، أصبحت الجزيئة أكثر كثافة ولكنها أيضًا أكثر عدم استقرارًا. فقد أصبحت الروابط التي تثبت هذه المجموعات في مكانها ضعيفة، وكانت الحلقة نفسها عرضة للكسر أثناء عمليات المحاكاة الحاسوبية. وقد علم هذا الباحثين أن هناك حدًا دقيقًا لكمية الطاقة التي يمكن حشدها في الهيكل قبل أن يصبح هشًا للغاية لدرجة تجعله غير مفيد.

ولفهم سبب تماسك بعض الجزيئات وفشل البعض الآخر، نظر الفريق إلى المشهد الكهربائي للذرات. لقد رسموا خريطة لأماكن وجود الشحنات الموجبة والسالبة على أسطح الجزيئات. وفي التصاميم الأكثر استقرارًا، كانت الشحنات الموجبة موزعة بطريقة تحافظ على توازن الجزيء، بينما في التصاميم غير المستقرة، كانت القوى الكهربائية غير متساوية، مما يجعل الهيكل عرضة للانهيار. كما فحصوا كيفية حركة الإلكترونات داخل الحلقات. وخلافًا لما قد يتوقعه المرء، لم تعتمد هذه الجزيئات على نوع خاص من مشاركة الإلكترونات يُعرف باسم "العطرية" (aromaticity) لتبقى مستقرة، بل جاء استقرارها من الهندسة المحددة لسلاسل النيتروجين والطريقة التي رُصفت بها الذرات معًا.

كما درست الدراسة كيفية تفاعل هذه الجزيئات مع بعضها البعض في كتلة صلبة. ووجد الباحثون أن الجزيئات لا تلتصق ببعضها البعض من خلال تفاعلات التراص المسطحة المعتادة التي تُرى في العديد من المواد الأخرى، بل كانت تتماسك من خلال روابط محددة واتجاهية بين ذرات الهيدروجين والأكسجين، بالإضافة إلى بعض القوى التنافرية التي منعت الجزيئات من الانهيار في بعضها البعض. ويشير هذا النوع الفريد من التراص إلى أنه يمكن هندسة المادة لتكون ذات قوة وحساسية محددة، مما يوفر طريقة جديدة لضبط خصائص المواد عالية الطاقة.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل خارطة طريق نظرية لإنشاء الجيل القادم من المتفجرات والوقود الدافع. إنه يثبت أنه باستخدام حلقة التيترازين كدعامة، يمكن للعلماء بناء أطر غنية بالنيتروجين تكون قوية ومستقرة في آن واحد. وبينما لا توجد هذه المواد إلا كنماذج حاسوبية في هذه المرحلة، فإن النتائج تقدم دليلًا واضحًا للكيميائيين الراغبين في تصنيعها في المختبر. ويؤكد البحث أنه من الممكن موازنة الحاجة إلى الطاقة القصوى مع الحاجة إلى السلامة، بشرط تنظيم الهيكل الجزيئي بدقة. ويمكن أن يؤدي هذا النهج إلى تطوير مواد أكثر فعالية وأمانًا من تلك المستخدمة حاليًا، مما يمثل خطوة مهمة إلى الأمام في علم المواد الطاقية.