Sort nitrogen:Forskere opdager nyt højtryksmateriale og løser et puslespil i det periodiske system

I det periodiske system af elementer er der en gylden regel for kulstof, ilt og andre lyselementer:Under højt tryk, de har strukturer, der ligner tungere elementer i den samme gruppe af elementer. Men kvælstof syntes altid at være uvillig til at tåle stregen. Imidlertid, højtryks kemiforskere ved University of Bayreuth har modbevist denne særlige status. Ud af nitrogen, de skabte en krystallinsk struktur, som, under normale forhold, forekommer i sort fosfor og arsen. Strukturen indeholder todimensionale atomlag, og er derfor af stor interesse for højteknologisk elektronik. Forskerne har præsenteret dette "sorte nitrogen" i Fysisk gennemgangsbreve .

Kvælstof - en undtagelse i det periodiske system?

Når du ordner de kemiske elementer i stigende rækkefølge i henhold til deres antal protoner og ser på deres egenskaber, det bliver hurtigt indlysende, at visse egenskaber går igen med store intervaller (perioder). Det periodiske system med elementer bringer disse gentagelser i fokus. Elementer med lignende egenskaber placeres under hinanden i den samme kolonne, og dermed danne en gruppe af elementer. Øverst i en kolonne er det element, der har færrest protoner og den laveste vægt i forhold til de andre gruppemedlemmer. Nitrogenhoveder element gruppe 15, men blev tidligere betragtet som gruppens "sorte får". Årsagen:I tidligere højtryksforsøg, nitrogen viste ingen strukturer, der lignede dem, der blev udstillet under normale forhold af de tungere elementer i denne gruppe - specifikt, fosfor, arsen og antimon. I stedet, sådanne ligheder observeres ved højt tryk i nabogrupperne under ledelse af kulstof og ilt.

Faktisk, kvælstof er ingen undtagelse fra reglen. Forskere ved det bayerske forskningsinstitut for eksperimentel geokemi og geofysik (BGI) og laboratoriet for krystallografi ved University of Bayreuth har nu bevist dette ved hjælp af en målemetode, de for nylig har udviklet. Under ledelse af Dr. Dominique Laniel, de har gjort en usædvanlig opdagelse. Ved meget høje tryk og temperaturer, nitrogenatomer danner en krystallinsk struktur, der er karakteristisk for sort fosfor, som er en særlig variant af fosfor. Strukturen forekommer også i arsen og antimon. Det består af todimensionale lag, hvor nitrogenatomer er tværbundet i et ensartet zigzagmønster. Med hensyn til deres ledende egenskaber, disse 2-D lag ligner grafen, hvilket viser stort løfte som materiale til højteknologiske applikationer. Derfor, sort fosfor undersøges i øjeblikket for sit potentiale som materiale til yderst effektive transistorer, halvledere, og andre elektroniske komponenter i fremtiden.

Bayreuth -forskerne foreslår et analogt navn på allotropen af ​​nitrogen, de har opdaget:sort nitrogen. Nogle teknologisk attraktive ejendomme, især dets retningsafhængighed (anisotropi), er endnu mere udtalte end i sort fosfor. Imidlertid, sort nitrogen kan kun eksistere under usædvanlige tryk- og temperaturforhold, under hvilke det produceres i laboratoriet. Under normale forhold, det opløses med det samme. "På grund af denne ustabilitet, industrielle applikationer er i øjeblikket ikke mulige. Alligevel, nitrogen er stadig et meget interessant element i materialeforskning. Vores undersøgelse viser som eksempel, at højt tryk og temperaturer kan producere materialestrukturer og egenskaber, som forskere tidligere ikke vidste eksisterede, «siger Laniel.

Bestemmelse af struktur med partikelacceleratorer

Det tog virkelig ekstreme forhold at producere sort nitrogen. Kompressionstrykket var 1,4 millioner gange trykket fra Jordens atmosfære, og temperaturen oversteg 4, 000 grader Celsius. For at finde ud af, hvordan atomer indretter sig under disse betingelser, Bayreuth -forskerne samarbejdede med German Electron Synchrotron (DESY) i Hamburg og Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory i USA. Røntgenstråler genereret ved partikelacceleration blev affyret mod de komprimerede prøver.

"Vi blev overraskede og fascinerede af måledataene, der pludselig gav os en struktur, der er karakteristisk for sort fosfor. Yderligere forsøg og beregninger har siden bekræftet dette fund. Det betyder, at der ikke er nogen tvivl om det:Kvælstof er, faktisk, ikke et usædvanligt element, men følger den samme gyldne regel i det periodiske system som kulstof og ilt gør, "siger Laniel, der kom til University of Bayreuth i 2019 som forsker ved Alexander von Humboldt Foundation.