近日，苏州大学校友、德国吉森大学博士生钱伟煜首次在实验室捕获了传说中的“六氮分子”，这是一种由6个氮原子组成的中性分子，填补了元素周期表长达两个世纪的空白。这一成果打破了之前认为“氮同素异形体无法合成且无法稳定存在”的桎梏，同时为未来的大规模合成提供了可能，为氮同素异形体在清洁含能材料领域的应用奠定了基础。

相关论文以《中性氮的同素异形体六氮 C2h-N6的制备》（Preparation of a neutral nitrogen allotrope hexanitrogen C2h-N6）为题发在 Nature。

（图源：Nature）

与碳元素丰富的同素异形体比如石墨、金刚石、富勒烯、石墨烯、碳纳米管、碳环等相比，常规条件下氮的稳定同素异形体，目前仅有18世纪人类从自然界中发现的 N2。虽然此前人们已在金刚石压砧中的高温及超高压环境下，探测到类似金刚石结构的聚合氮等结构，但是它们一旦脱离极端环境便会迅速分解，因此仅具备理论价值。

由于氮气极其稳定的化学特性以及极强的氮氮三键，使得任何更高阶的氮元素同素异形体都极为不稳定且易于爆炸性分解，这给相关合成和科研研究以及应用带来了巨大挑战。同时，其分解不仅能够释放大量能量，且最终产物仅有无毒无害的氮气，意味着这是一类极为理想的绿色含能材料。

此前，人们通过中和——再电离质谱在氮气的微波放电产物中探测到 N4分子的微弱信号，但其寿命被证明仅有数微秒，且所述方法无法支持大规模合成。围绕这一问题，研究团队开展了本次研究。

通常，人们会认为合成一个很复杂的化合物颇为困难，因为需要周密思考结构、各个官能团和手性中心之间的关系。但与之相对应的，试图合成一个简单的化合物同样很有挑战。因为如果分子本身极其精简，这种情况下很难想到合适的方法去构建结构。往往需要采用“合成中先上保护基，然后再去保护基”的思路，即先加上一个稳定基团，再通过一些手段在消除稳定基团的同时产生所需分子。

但是，上述合成策略明显不适用于全氮分子，因为这些消除稳定基团的手段同样会使其分解，最终无法得到产物。

在钱伟煜第一次使用比较通用的合成装置时，他在 ClN3 （叠氮化氯）旁边看到了一点信号，但是此后很长一段时间使用同样的装置始终无法重复实验结果，甚至直到今天他也想不明白为什么第一次可以成功。但在当时，又通过不断的思考和改进实验装置，他终于稳定地重复出了光谱。

而 N6的指认过程同样充满波折，因为第一次实验测得的谱峰位置与 ClN3高度相似，同时有一个始终存在的谱峰来源不明，这让钱伟煜一度怀疑其为 ClN3的某种异构体。为了彻底排除 ClN3 异构体的可能性，钱伟煜改用 Br2（溴素）替代 Cl2（氯气）进行反应。实验结果未观察到任何差异，这明确证实未知分子中不含卤素原子。再加上此后的 15N 同位素标记实验，最终确认实验中捕获的是 N6。

与以往所认为的只能在高温高压环境下稳定的氮团簇不同，理论计算表明，N6 在室温下气相中的寿命达到毫秒级，这与在实验中可以被捕获的结果吻合。并且实验证明，其在10 K的低温氩气基质中或77 K的温度条件下可以稳定存在。计算表明，其在77 K的液氮温度条件下寿命超过一个世纪，195 K（-78 ℃）下的半衰期仍超过50分钟。

这一成果有望用于含能材料相关的应用，例如火箭推进剂、清洁炸药、能量存储等。同时，工业生产叠氮化钠（NaN3）需要消耗笑气（N2O），笑气是一种常见的工业废气，也是一种大气污染物，不仅会破坏臭氧层，其产生的温室效应更是广为人知的二氧化碳的265倍。而通过本次方法，有望在实现储能的同时循环使用 N2O 工业废气，减少环境污染。

新闻来源：DeepTech深科技