Forskere opdager en længe efterspurgt nitrogenallotrop i sort fosforstruktur

grafen, eller et enkelt lag grafit, har et sæt nye egenskaber, der har tiltrukket sig enorm opmærksomhed siden dets opdagelse. Nitrogen er den næste nabo til kulstof i grundstoffernes periodiske system, så det er naturligt at stille spørgsmålstegn ved, om nitrogen kan danne et 2-D materiale, der ligner grafen. Det er ikke let at forestille sig et sådant nitrogenlag, fordi nitrogen har en elektron mere end kulstof, overvældende bindingskravet til grafen. Imidlertid, alle elementer i VA-gruppen bar nitrogen har allotroper med lagdelte strukturer svarende til grafit, men med lagene, der er bukket (figur 1A). Fosforen er et typisk 2D-materiale afledt af de bukkede bikagelag af sort fosfor. Den udstiller en række usædvanlige elektroniske, mekanisk, optisk, og transportegenskaber med stort potentiale som et prototypisk næste generations 2-D materiale. At finde et BP-struktureret nitrogen betyder syntesen af ​​et nitrogenbaseret 2-D materiale, eller nitrogen, kan blive muligt.

Tommelfingerreglen for strukturelle ændringer ved højt tryk er, at grundstoffer ved højt tryk opfører sig som grundstofferne under dem i det periodiske system ved lavere tryk. Som det første element i VA-gruppen, nitrogen er lige over fosfor. Teoretiske beregninger har forudsagt dannelsen af ​​BP-struktureret nitrogen ved højt tryk. Imidlertid, det er meget mere udfordrende at omdanne nitrogen til en BP-struktur end de andre VA-elementer, fordi nitrogen danner N ₂ molekyler med ekstremt stærke tredobbelte kemiske bindinger. Selvom nitrogen er blevet undersøgt ved tryk på over en million atmosfærer (100 GPa), BP-struktureret nitrogen er aldrig blevet rapporteret før nu.

"Analogt med det sorte, hvid, og røde fosfor allotroper, som har lignende energier og kan transformeres indbyrdes, enkeltbundet nitrogen ved højt tryk kan også have flere polymorfer, der er meget tæt på energi. Selvom BP-struktureret nitrogen ikke er beregnet til at være den allotrope med den laveste energi, vi tror, ​​det kan syntetiseres som en metastabil fase ved særlige tryk-temperaturforhold, " sagde Dr. Huiyang Gou, en medholdsleder ved Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) i Beijing.

"Vores molekylær dynamiske simulering indikerer, at BP-struktureret nitrogen bliver energetisk mere gunstig, når temperaturen hæves, hvilket indebærer muligheden for at syntetisere BP-struktureret nitrogen ved højtryks- og højtemperaturforhold." sagde prof. Yansun Yao, fra University of Saskatchewan.

Holdet brugte diamantamboltcelleapparat til at udøve et formidabelt pres på molekylært nitrogen; klemme en lille nitrogenprøve mellem to modstående skarpe diamantspidser (figur 1B), og udsætte den for meget høje temperaturer ved højeffekt laseropvarmning. De udforskede et stort trykområde fra 1,2 til 1,9 millioner gange normalt atmosfærisk tryk, og så dannelsen af ​​en ny nitrogenfase ved cirka 1,5 millioner gange normalt atmosfærisk tryk og 1, 900 grader Celsius.

BP-strukturen blev identificeret ved hjælp af synkrotron-baserede enkeltkrystal røntgendiffraktion (XRD) teknikker (figur 1C), Raman-spektroskopi (figur 1D), og teoretisk beregning. Det nye materiale udviser et ekstraordinært sæt optiske egenskaber forbundet med anisotropien af ​​de bukkede lag, i særdeleshed, kolossal Raman-intensitet sammenlignet med andre nitrogenfaser. Årsagen til det langvarige fravær af BP-struktureret nitrogen i højtryksforsøg er også forklaret gennem teoretiske beregninger. Det BP-strukturerede nitrogen omdannes tilbage til N ₂ gas, når trykket sænkes.

Fremtidige undersøgelser er ønskelige for at opnå metastabilt BP-struktureret nitrogen ved omgivende forhold.

"Opdagelsen af ​​BP-struktureret nitrogen er et typisk udstillingsvindue, der viser vigtigheden af ​​grundlæggende videnskabelig forskning under ekstreme forhold, " tilføjede Dr. Ho-kwang Mao, direktør for HPSTAR. "At bevise eksistensen af ​​et materiale er det allerførste og væsentlige skridt hen imod anvendelser, som kan kræve år eller endda årtiers fortsatte forskningsindsats."