Ny undersøgelse:Nitrogen danner ekstremt usædvanlige strukturer under højt tryk

Forskere ved universiteterne i Bayreuth og Linköping har under meget højt tryk fremstillet to overraskende forbindelser af nitrogen og det sjældne jordmetal yttrium. De nye polynitrider indeholder ring- og spiralformede krystalstrukturer af nitrogen, som aldrig før er blevet observeret i eksperimenter eller forudsagt i teoretiske beregninger. De ligner udbredte strukturer af kulstofforbindelser. Højtrykssynteserne beskrevet i tidsskriftet Angewandte Chemie viser, at mangfoldigheden af ​​mulige nitrogenforbindelser og deres strukturer er langt større, end nitrogenatomernes opførsel under normale forhold ville antyde.

Antallet af nitrogenforbindelser, der forekommer i naturen, er meget lille sammenlignet med den strukturelle mangfoldighed af kulstofforbindelser. Dette skyldes hovedsageligt, at nitrogenatomer danner ekstremt stabile tredobbelte bindinger ved normalt omgivende tryk. I de sidste to årtier er det dog blevet tydeligt, at nitrogenets kemi ændrer sig markant under meget høje tryk. Forskerhold ved University of Bayreuth, ledet af prof. dr. Natalia Dubrovinskaia og prof. dr. Leonid Dubrovinsky, har syntetiseret nye nitrogenforbindelser (nitrider), der udviser usædvanlige strukturer og i nogle tilfælde har teknologisk meget attraktive egenskaber – som f.eks. meget høj energitæthed eller ekstraordinær hårdhed. Den nu offentliggjorte undersøgelse bygger på denne forskning.

De to nye yttriumnitrider, YN6 og Y₂N₁₁, blev skabt i en laseropvarmet diamantstempelcelle. Ved et kompressionstryk på 100 gigapascal og ved en temperatur på omkring 2.700 grader Celsius skete der kemiske reaktioner mellem yttrium- og nitrogenatomer, hvilket førte til de nye forbindelser. Krystalstrukturerne af YN6 og Y₂N₁1 har unikke arrangementer af nitrogenatomer:

• YN₆-krystaller indeholder plane, symmetrisk konstruerede ringstrukturer kaldet makrocykler. I hver af disse cyklusser er et yttriumatom omgivet af 18 nitrogenatomer arrangeret i en stjerneform. Yderligere yttriumatomer sikrer, at makrocyklerne ligger stabilt oven på hinanden.
• Y₂N₁₁-krystaller indeholder til gengæld to spiralkæder af nitrogenatomer, der tilsammen danner en dobbelthelix. En sådan struktur er meget sjælden inden for uorganisk kemi. Den nu opdagede polynitrogene dobbelthelix kan være egnet som en plan for syntesen af ​​andre uorganiske spiralstrukturer.

Afgørende for påvisningen af ​​disse meget usædvanlige strukturer var de nyeste teknikker til højtrykssynkrotron-enkeltkrystal-røntgendiffraktion. De afslørede blandt andet, at nitrogenatomerne i de nye krystalstrukturer er forbundet med hinanden med kovalente bindinger, mens der ikke er nogen kovalente bindinger mellem nitrogen- og yttriumatomerne.

"I organisk kemi er ring- og spiralformede kulstofforbindelser af central betydning. De få polynitrider, der hidtil er kendt, hvori nitrogenatomer danner sådanne strukturer, er alle uorganiske forbindelser. Vores højtrykssyntese af Y₂N₁₁ er dog yderligere bevis på, at nitrogen har det grundlæggende potentiale til at danne sådanne strukturelle enheder,« siger Andrii Aslandukov, førsteforfatter til den nye publikation og ph.d. studerende af forskerholdet af prof. Dr. Leonid Dubrovinsky ved Bavarian Geoinstitute (BGI) og prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia ved Laboratory of Crystallography ved University of Bayreuth.

"Sammen med vores partnere i Linköping vil vi fortsætte med at fremme forskningen i sådanne nitrogenforbindelser i Bayreuth. Vi er måske ikke langt væk i højtryksforskningen fra at syntetisere polynitrider, der udviser en strukturel mangfoldighed, man ikke har drømt om i dag. Dette ville være begyndelsen på en ny gren af ​​kemi:nitrogen organisk kemi ved høje tryk," forklarer prof. Dubrovinskaia. + Udforsk yderligere

Så meget pres som Uranus' kerne:Den første materialesynteseforskning og -undersøgelse i terapascal-området