grafen, eller ett enda lager grafit, har en uppsättning nya egenskaper som har väckt enorm uppmärksamhet sedan dess upptäckt. Kväve är nästa granne till kol i grundämnenas periodiska system, så det är naturligt att ifrågasätta om kväve kan bilda ett 2-D-material som liknar grafen. Det är inte lätt att föreställa sig ett sådant kväveskikt eftersom kväve har en elektron mer än kol, överväldigande bindningskravet för grafen. Dock, alla element i VA -gruppen bar kväve har allotroper med skiktade strukturer som liknar grafit men med skikten böjda (figur 1A). Fosforen är ett typiskt 2D-material som härrör från de böjda bikakeskikten av svart fosfor. Den visar ett antal ovanliga elektroniska, mekanisk, optisk, och transportegenskaper med stor potential som ett prototypiskt nästa generations 2D-material. Att hitta ett BP-strukturerat kväve innebär syntesen av ett kvävebaserat 2D-material, eller nitrogen, kan bli möjligt.

Tumregeln för strukturella förändringar vid högt tryck är att element vid högt tryck beter sig som elementen under dem i det periodiska systemet vid lägre tryck. Som det första elementet i VA-gruppen, kväve ligger precis ovanför fosfor. Teoretiska beräkningar har förutspått bildandet av BP-strukturerat kväve vid högt tryck. Dock, det är mycket mer utmanande att omvandla kväve till en BP-struktur än de andra VA-elementen eftersom kväve bildar N ₂ molekyler med extremt starka trippelkemiska bindningar. Även om kväve har studerats vid tryck som överstiger en miljon atmosfär (100 GPa), BP-strukturerat kväve har aldrig rapporterats förrän nu.

"Analogt med det svarta, vit, och röda fosforallotroper, som har liknande energier och kan omvandlas till varandra, enkelbundet kväve vid högt tryck kan också ha flera polymorfer som är mycket nära i energi. Även om BP-strukturerat kväve inte beräknas vara den allotrop med lägst energi, vi tror att det kan syntetiseras som en metastabil fas vid speciella tryck-temperaturförhållanden, " sa Dr Huiyang Gou, en co-teamledare vid Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) i Peking.

"Vår molekylära dynamiska simulering indikerar att BP-strukturerat kväve blir energiskt mer gynnsamt när temperaturen höjs, vilket innebär möjligheten att syntetisera BP-strukturerat kväve vid högtrycks- och högtemperaturförhållanden. "sade professor Yansun Yao, från University of Saskatchewan.

Teamet använde diamantstädcellsapparat för att utöva ett formidabelt tryck på molekylärt kväve; pressa ett litet kväveprov mellan två motsatta vassa diamantspetsar (Figur 1B), och utsätter den för mycket höga temperaturer genom laseruppvärmning med hög effekt. De undersökte ett stort tryckintervall från 1,2 till 1,9 miljoner gånger normalt atmosfärstryck, och såg bildandet av en ny kvävefas vid cirka 1,5 miljoner gånger normalt atmosfärstryck och 1, 900 grader Celsius.

BP-strukturen identifierades med hjälp av synkrotronbaserade enkristallröntgendiffraktionstekniker (XRD) (Figur 1C), Ramanspektroskopi (figur 1D), och teoretisk beräkning. Det nya materialet uppvisar en extraordinär uppsättning optiska egenskaper associerade med anisotropin hos de böjda skikten, särskilt, kolossal Raman-intensitet jämfört med andra kvävefaser. Orsaken till den långvariga frånvaron av BP-strukturerat kväve i högtrycksförsök förklaras också genom teoretiska beräkningar. Det BP-strukturerade kvävet omvandlas tillbaka till N ₂ gas när trycket sänks.

Framtida studier är önskvärda för att erhålla metastabilt BP-strukturerat kväve vid omgivande förhållanden.

"Upptäckten av BP-strukturerat kväve är en typisk utställning som visar vikten av grundläggande vetenskaplig forskning vid extrema förhållanden, " tillade Dr Ho-kwang Mao, direktör för HPSTAR. "Att bevisa att det finns ett material är det allra första och väsentliga steget mot tillämpningar, som kan kräva år eller till och med årtionden av fortsatta forskningsinsatser."