Стійкий цикл з п'яти атомів азоту теоретично може стати заміною вуглецевому паливу.
Деякі хіміки дуже небайдужі до різних циклічних молекул, в яких є замкнутий сам на себе ланцюжок атомів. У чому причина підвищеного інтересу до таких з'єднань, навряд чи можна дізнатися достовірно: можливо, когось приваблюють міфічно-алхімічні алюзії на стародавнього уроборосу; хтось, можливо, відчуває таємну симпатію до геометрично правильного бензольного кільця, старанно вимальовуваного ще в шкільному зошиті. Озброєні навичками хімічного синтезу, «любителі циклів» збирають в лабораторіях найрізноманітніші молекули, як корисні з практичної точки зору, так і з розряду «дивіться, як ми вміємо».
Вільніше всього в цьому сенсі хіміки поводяться з атомами вуглецю, які охоче з'єднуються у всілякі кільця - малі, великі і дуже великі. Наприклад, існує деяке з'єднання з групи циклоалканів, чий перстень складається з 288 атомів. Куди менше можливостей дає азот: циклічних структур з ним відомо на порядки менше. Синтезувати кільця з азотом складніше, та й стійкість у них так собі, але цікаві хімічні властивості таких сполук як і раніше надихають дослідників.
Однак відкинемо лірику. Чим можуть бути корисні циклічні молекули з азоту? Відповідь - енергією. Звичайна молекула азоту, що складається з двох атомів (N2), надзвичайно стійка, тому що її атоми пов'язані між собою міцним потрійним зв'язком. Щоб змусити N2 вступити в хімічну реакцію, потрібно розірвати хоча б один зі зв'язків, що вимагає досить багато енергії. У живому світі цією важкою хімічною працею займаються азотофіксуючі бактерії, в той час як всі інші організми вважають за краще не напружуватися і користуватися вже «переробленим» азотом. Але якщо з азотом так важко мати справу, то який може бути від нього енергетичний толк?
І тут саме час згадати, що енергія в нашому світі нікуди безслідно не зникає і нізвідки не з'являється. Іншими словами, якщо ми витрачаємо енергію на розрив молекули на атоми, то при зворотному процесі - утворенні молекули з атомів - ця сама молекула поверне нам всю витрачену енергію. А якщо ми збираємо молекули не з окремих атомів, а з інших молекул, то енергетичний ефект від реакції залежатиме від того, наскільки різняться за міцністю хімічних зв'язків реагенти і кінцевий продукт. Якщо у вас, наприклад, є якесь складне з'єднання з атомів азоту, і ви перетворюєте його на звичайний двоатомний N2, то крім найбільш інертного газу в якості бонусу ви отримаєте певну кількість корисної теплоти.
Перевага такого гіпотетичного азотного палива полягає не тільки в енергоємності, а й, що важливо, в екологічності. При його «згорянні» (тут ми маємо на увазі перетворення на молекулярний азот, а не окислення киснем) виділяється лише нешкідливий N2, якого в навколишньому нас повітрі і так без малого три чверті. У той час як при згорянні органічного палива в кращому випадку утворюється вуглекислий газ, а то і більш шкідливі речовини.
Правда, отримати це прекрасне паливо не так просто. Одними з потенційних кандидатів на роль такого «азотного бензину» стали циклічні молекули, що складаються з п'яти атомів азоту. Однак у чистому вигляді подібні цикли нестійкі і швидко розпадаються. Тому, щоб отримати жаданий азотний пентагон, дослідникам з Ліверморської національної лабораторії довелося витратити чимало зусиль. Як вихідні речовини вони взяли азид цезію і звичайний азот, а потім створили в реакційній суміші колосальний тиск - близько 40 ГПа (400 тисяч атмосфер), і на довершення гарненько нагріли реагенти лазером. У результаті вийшла кристалічна речовина, до складу якої входять іони цезію і окремі п'ятиченні цикли, що цілком складаються з одних тільки атомів азоту. Детально процедура синтезу описана в статті в Chemistry of Materials.
На сьогоднішній день це перший успішний експеримент, в якому вдалося синтезувати подібні стійкі сполуки азоту у вигляді кристала. Втім, їх стійкість відносна: отриманий пентазолат цезію (саме так називається те, що вийшло) хоч і може «жити» при кімнатних температурах, все-таки вимагає ще й відносно високого тиску, без якого він розпадається на частини.
З іншого боку, присутність атомів цезію у складі сполуки трохи не відповідає ідеям екологічності, на випадок якщо ми все-таки захочемо використовувати такі речовини, як кажуть, у народному господарстві. Тож про вирішення проблеми отримання зеленого палива говорити ще занадто рано. Самі ж дослідники відзначають, що їх робота в першу чергу показує новий експериментальний шлях для отримання унікальних і рідкісних сполук, недоступні в звичайних методах хімічного синтезу.