Les scientifiques ont longtemps émis l'hypothèse que l'énergie stockée dans les liaisons atomiques de l'azote pourrait un jour être une source d'énergie propre. Mais amener les atomes d'azote à se relier a été une tâche ardue. Des chercheurs du C&J Nyheim Plasma Institute de l'Université Drexel ont finalement prouvé que c'était possible expérimentalement, avec les encouragements d'une étincelle de plasma liquide.

Rapporté dans le Journal of Physics D :Physique appliquée , la production d'azote polymérique pur, le polyazote, est possible en zappant un composé appelé azoture de sodium avec un jet de plasma au milieu d'un nuage d'azote liquide en surfusion. Le résultat est six atomes d'azote liés ensemble - un composé appelé ionique, ou neutre, l'azote-six - qui devrait être un matériau extrêmement dense en énergie.

« Le polyazote est à l'étude pour être utilisé comme source de carburant « vert », pour le stockage d'énergie, ou comme explosif, " a déclaré Danil Dobrynin, Doctorat., professeur associé de recherche à l'Institut Nyheim et auteur principal de l'article. « Des versions de celui-ci ont été synthétisées expérimentalement, mais jamais d'une manière suffisamment stable pour revenir aux conditions ambiantes ou sous forme d'azote pur. Notre découverte utilisant le plasma liquide ouvre une nouvelle voie pour cette recherche qui pourrait conduire à un polyazote stable. ."

Des tentatives antérieures pour générer le polymère énergétique ont utilisé une pression élevée et une température élevée pour attirer la liaison des atomes d'azote. Mais aucune de ces méthodes n'a fourni suffisamment d'énergie pour exciter les ions requis - les agents de liaison atomiques - pour produire une forme stable d'azote-six. Et l'azote polymère créé dans ces expériences n'a pas pu être maintenu à une pression et une température proches de la normale, conditions ambiantes.

C'est un peu comme essayer de coller ensemble deux objets lourds mais en étant juste assez fort pour faire sortir quelques gouttes de colle de la bouteille. Pour créer un lien assez fort pour tenir, il faut une force assez forte pour faire sortir beaucoup de colle.

Cette force, selon les chercheurs, est un souffle d'ions concentré fourni par un plasma liquide.

Le plasma liquide est le nom donné à l'émission d'une matière dense en ions générée par une étincelle électrique pulsée déchargée dans un environnement liquide, un peu comme la foudre dans une bouteille. La technologie du plasma liquide existe depuis à peine une décennie, même si elle est déjà très prometteuse. Il a été mis au point par des chercheurs de l'Institut Nyheim qui ont exploré son utilisation dans une variété d'applications, des soins de santé au traitement alimentaire.

Parce que le plasma est enfermé dans un liquide, il est possible de pressuriser l'environnement, ainsi que de contrôler sa température. Ce niveau de contrôle est l'avantage clé dont les chercheurs avaient besoin pour synthétiser le polyazote car il leur permettait de démarrer et d'arrêter plus précisément la réaction afin de préserver le matériau qu'il produit. Dobrynin et ses collaborateurs ont d'abord rapporté leur tentative réussie de produire du polyazote à l'aide de décharges plasmatiques dans l'azote liquide dans une lettre du Journal of Physics D :Physique appliquée au cours de l'été.

Dans leurs découvertes les plus récentes, l'étincelle de plasma a envoyé une pluie concentrée d'ions vers l'azoture de sodium, qui contient trois molécules d'azote. Le souffle d'ions sépare les trois molécules d'azote du sodium et, à l'état excité, les molécules d'azote peuvent se lier les unes aux autres. Sans surprise, la réaction produit un bon peu de chaleur, freiner nécessite donc une incroyable bouffée de froid, celle fournie par l'azote liquide.

"Nous pensons que cette procédure a réussi à produire du polyazote pur là où d'autres ont échoué, en raison de la densité des ions impliqués et de la présence d'azote liquide comme agent de trempe pour la réaction, " a déclaré Dobrynin. " D'autres expériences ont introduit des températures élevées et des pressions élevées comme catalyseurs, mais notre expérience était une combinaison plus précise d'énergie, Température, électrons et ions."

Lors de l'inspection avec un spectromètre Raman, un instrument qui identifie la composition chimique d'un matériau en mesurant sa réponse au stimulus laser, le matériau traité au plasma a produit des lectures conformes à celles prédites pour le polyazote pur.

"C'est assez important car jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pu synthétiser des composés polyazotés stables sous forme de sels, mais jamais sous une forme d'azote pur comme celle-ci dans des conditions proches de la température ambiante, " a déclaré Dobrynin. "La substance que nous avons produite est stable à la pression atmosphérique à des températures allant jusqu'à environ -50 degrés Celsius."

Plasma, dans son environnement gazeux d'origine, est en cours de développement depuis des décennies en tant que technologie de stérilisation de l'eau, des équipements alimentaires et médicaux et il est également à l'étude pour les matériaux de revêtement. Mais c'est la première fois que le plasma liquide est utilisé pour synthétiser un nouveau matériau. Donc, cette percée pourrait s'avérer être un point d'inflexion dans la recherche sur les plasmas, à l'Institut Nyheim et dans tout le domaine.

"Cette découverte ouvre un certain nombre de possibilités passionnantes pour produire de l'azote polymère comme source de carburant, " a déclaré Alexandre Fridman, Doctorat., John A. Nyheim Chair professeur au Drexel's College of Engineering et directeur du C&J Nyheim Plasma Institute et co-auteur de l'article. "Ce nouveau, un carburant propre et dense en énergie pourrait permettre une nouvelle ère de l'automobile et des transports en commun. Cela pourrait même être la percée nécessaire pour permettre l'exploration de régions éloignées de l'espace."