近日，蘇州大學校友、德國吉森大學博士生錢偉煜首次在實驗室捕獲了傳說中的“六氮分子”，這是一種由 6 個氮原子組成的中性分子，填補了元素週期表長達兩個世紀的空白。“其驚人的能量密度（單位質量威力達最強炸藥 2 倍以上）和零汙染的分解特性，更被學界譽為是‘諾獎級突破’”。[1]
在這篇 Nature 一作論文上，錢偉煜署上了自己的中文名字。具體來說，在這篇論文中，他和所在團隊展示了首個能成功合成的除氮氣（N2）以外的全氮分子（氮元素的同素異形體）。這一工作打破了之前認為“氮同素異形體無法合成且無法穩定存在”的桎梏，同時為未來的大規模合成提供了可能，為氮同素異形體在清潔含能材料領域的應用奠定了基礎。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
與以往所認為的只能在高溫高壓環境下穩定的氮團簇不同，理論計算表明，N6 在室溫下氣相中的壽命達到毫秒級，這與在實驗中可以被捕獲的結果吻合。並且實驗證明，其在 10 K 的低溫氬氣基質中或 77 K 的溫度條件下可以穩定存在。計算表明，其在 77 K 的液氮溫度條件下壽命超過一個世紀，195 K（-78 ℃）下的半衰期仍超過 50 分鐘。
（來源：錢偉煜）
審稿人表示，研究團隊在實驗中成功製備了新的 N6分子，並證明其在低溫環境中的穩定性，對於高能中性含氮分子體系的研究及未來應用而言這是一個重要的突破，也為中性氮同素異形體化學做出了重要貢獻。
據介紹，這一成果有望用於含能材料相關的應用，例如火箭推進劑、清潔炸藥、能量儲存等。同時，工業生產疊氮化鈉（NaN3）需要消耗笑氣（N2O），而笑氣是一種常見的工業廢氣，也是一種大氣汙染物，不僅會破壞臭氧層，其產生的溫室效應更是廣為人知的二氧化碳的 265 倍。而透過本次方法，有望在實現儲能的同時迴圈使用 N2O 工業廢氣，減少環境汙染。
圖 | 錢偉煜（來源：錢偉煜）
據介紹，與碳元素豐富的同素異形體比如石墨、金剛石、富勒烯、石墨烯、碳奈米管、碳環等相比，常規條件下氮的穩定同素異形體，目前僅有人類於 18 世紀從自然界中發現的 N2。雖然此前人們已在金剛石壓砧中的高溫及超高壓環境下，探測到類似金剛石結構的聚合氮等結構，但是它們一旦脫離極端環境便會迅速分解，因此其僅僅具備理論價值。
由於氮氣極其穩定的化學特性以及極強的氮氮三鍵，使得任何更高階的氮元素同素異形體都極為不穩定且易於爆炸性分解，這給相關合成和科研研究以及應用帶來了巨大挑戰。同時，其分解不僅能夠釋放大量能量，而且最終產物僅有無毒無害的氮氣，意味著這是一類極為理想的綠色含能材料。此前，人們透過中和-再電離質譜在氮氣的微波放電產物中探測到 N4分子的微弱訊號，但其壽命被證明僅有數微秒，且所述方法無法支援大規模合成。圍繞這一問題，研究團隊開展了本次研究。
（來源：錢偉煜）
據瞭解，錢偉煜此前一直從事主族化學方面的研究，重點關注不穩定小分子的原位光譜表徵與反應性質研究，其中很重要的一環是疊氮化合物的合成。因為氮氣有著非常穩定的化學特性，因此常被用作保護氣。而分子中的氮含量越高則通常分子越容易分解生成更穩定的氮氣，因而越不穩定。一般教科書認為當化合物氮含量超過 30% 時，試圖提純會非常危險。
此前，錢偉煜一直不斷嘗試挑戰更高氮含量化合物的合成。靠著不斷地積累經驗，曾成功合成並提純了氮含量超過 80% 的化合物，此時的化合物極其危險，一個微小的敲擊或者震動就可能引發劇烈爆炸，這給實驗帶來了巨大挑戰。
在某一天做疊氮相關實驗時，錢偉煜突然想到，既然自己之前一直在追求更高的氮含量，而化合物的氮含量理論的上限為 100%，為什麼不直接合成一個完全由氮原子組成的分子呢？此後錢偉煜開始調研相關文獻，瞭解到氮團簇化學其實是一個廣闊的領域，並且和含能材料以及爆炸化學密切相關。雖然有大量理論方面的工作，但是因為缺少合適的方法以及危險的特性，有關氮團簇的實驗研究進展有限。
通常，人們會認為合成一個很複雜的化合物頗為困難，因為需要周密思考結構、各個官能團和手性中心之間的關係。與之相對應的，試圖合成一個簡單的化合物同樣很有挑戰。因為如果分子本身極其精簡，這種情況下很難想到合適的方法去構建結構。往往需要使用“合成中先上保護基，然後再去保護基”的思想，即先加上一個穩定基團，再透過一些手段在消除穩定基團的同時產生所需分子。
但是，上述合成策略很明顯不適用於全氮分子，因為這些消除穩定基團的手段同樣會使其分解，最終無法得到產物。此前在蘇州大學，他師從於曾小慶教授（目前就職於復旦大學）。他關注到曾小慶此前發表的論文中展示了類似的氣固合成方法，於是他決定用這個策略試一試。
與此同時，N6的實驗和驗證過程十分富有戲劇性，在第一次使用比較通用的合成裝置時，他在 ClN3 旁邊看到了一點訊號，但是此後很長一段時間使用同樣的裝置始終無法重複實驗結果，甚至直到今天他也想不明白為什麼第一次可以成功。但在當時，又透過不斷的思考和改進實驗裝置，他終於穩定地重複出了光譜。
而 N6的指認過程同樣充滿波折，因為第一次實驗測得的譜峰位置與 ClN3高度相似，同時因為有一個始終存在的譜峰來源不明，這讓錢偉煜一度懷疑其為 ClN3的某種異構體。這些因素使他遲遲無法確認發現，因為光譜的指認關係到專案成敗以及最終論文的寫作，所以他必須非常謹慎地排除所有其他可能。為了徹底排除 ClN3 異構體的可能性，錢偉煜改用 Br2替代 Cl2進行反應。實驗結果未觀察到任何差異，這明確證實未知分子中不含鹵素原子。
此外，在諮詢曾小慶之後，錢偉煜透過非簡諧振動分析確認了費米共振的存在，解釋了多餘峰的現象。再加上此後的 15N 同位素標記實驗，最終確認實驗中捕獲的是 N6。
研究之中，做某項實驗的實驗室是所在樓裡唯一一間還在執行的實驗室，旁邊沒有別人。每次實驗結束後，錢偉煜為了防止發生意外，都會將多餘的疊氮化銀小心地放置在室外陽臺，並讓其在太陽光下自然分解，過一段時間再拿回來清洗。有一次錢偉煜正在做實驗突然聽見門外砰的一聲，出去一看發現是之前實驗剩餘的疊氮化銀爆炸了，燒杯也被炸得粉碎。從此以後，錢偉煜都會等兩週左右確認它們完全分解之後再去回收。
另外，由於反應物之一的疊氮化銀對光較為敏感，見到光就會慢慢降解、變黑、失去反應活性，所以所有合成裝置從一開始必須嚴格避光。有趣的是，他在後續實驗中發現 N6極其脆弱，甚至對於可見光也較為敏感。“所以，如果一開始沒有銀鹽需要避光的要求，我就會預設為不需要避光，那麼就會將裝置暴露在自然光之下，那樣就有可能錯失這一次機會。雖然在控制變數和調整實驗方案時，有些細節我也能想到，但要是那樣的話就得頗費一番周折才能捕獲 N6，所以這次成果也算是機緣巧合。”他表示。
最終，相關論文以《中性氮的同素異形體六氮 C2h-N6的製備》（Preparation of a neutral nitrogen allotrope hexanitrogen C2h-N6）為題發在 Nature[1]，錢偉煜是第一作者，阿圖爾·馬爾久科夫（Artur Mardyukov）和彼得·R·施萊納（Peter R. Schreiner）教授擔任共同通訊作者。
參考資料：
1.https://mp.weixin.qq.com/s/iGal_MxHG-w2zOpKAhCd-w
2.Qian, W., Mardyukov, A. & Schreiner, P.R. Preparation of a neutral nitrogen allotrope hexanitrogen C2h-N6 . Nature 642, 356–360 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09032-9