Ученые из Университета Олбани создали новое химическое соединение, которое может совершить прорыв в области ракетного топлива. Речь о дибориде марганца (MnB₂), который по плотности энергии значительно превосходит привычные твердотопливные материалы. Использование такого топлива позволит уменьшить вес и объем топливных баков в ракетах, освободив драгоценное место для научного оборудования или образцов, доставляемых на Землю.
Интерес к диборидам, особому классу химических соединений, в которых атом металла связан сразу с двумя атомами бора, возник еще в 1960-е гг. Теоретические модели еще тогда предсказывали необычные свойства этих соединений, но практический синтез оставался недостижимым. В случае диборида марганца исследователям предстояло не только получить вещество в чистом виде, но и разобраться, как его нестандартная атомная структура определяет поведение материала. Для этого использовали дуговую плавильную печь: спрессованные порошки марганца и бора сплавляли при температуре около 3000 °C, а затем быстро охлаждали, «фиксируя» атомы в напряженном, асимметричном состоянии словно сжатую пружину.
Чтобы понять особенности нового материала, ученые создали его компьютерную модель. Она показала, что в кристаллической решетке атомы расположены с небольшим перекосом – эффектом, который химики называют «деформацией». Именно эта асимметрия служит источником высокой энергии, запасенной в веществе. В качестве простой аналогии исследователи приводят гимнастический батут: когда на него ставят тяжелый груз, он растягивается и накапливает энергию, которая высвобождается, когда груз убирают. По такому же принципу диборид марганца при воспламенении высвобождает колоссальный запас энергии, заключенный в его асимметричной структуре.
По сравнению с алюминием, который используется в современных твердотопливных ускорителях, диборид марганца продемонстрировал существенно большую энергоемкость – примерно на 20% больше по массе и на 150% по объему. При этом он воспламенялся только при контакте со специальным инициатором. То есть материал стабилен и безопасен.
Интересно, что изначально исследование не преследовало цель найти новое топливо – ученые пытались получить материал тверже алмаза. Но один из образцов неожиданно повел себя иначе, начав нагреваться и излучать красивый оранжевый цвет. Это случайное наблюдение заставило команду переключиться на изучение энергетических свойств полученного соединения и в итоге привело к открытию его высокой энергоемкости, наглядно показав, как фундаментальные исследования могут обернуться практическими результатами, о которых изначально никто и не думал.
Перспективы применения диборида марганца не ограничиваются ракетными двигателями. Ученые видят потенциал и в других областях, например, в создании более эффективных катализаторов в автомобильных нейтрализаторах и для ускорения процессов разложения пластика.
