Forskare vid universiteten i Bayreuth och Linköping har tagit fram två överraskande föreningar av kväve och den sällsynta jordartsmetallen yttrium under mycket högt tryck. De nya polynitriderna innehåller ring- och spiralformade kristallstrukturer av kväve som aldrig tidigare har observerats i experiment eller förutspåtts i teoretiska beräkningar. De liknar utbredda strukturer av kolföreningar. Högtryckssynteserna som beskrivs i tidskriften Angewandte Chemie visa att mångfalden av möjliga kväveföreningar och deras strukturer är mycket större än vad kväveatomernas beteende under normala förhållanden skulle antyda.

Antalet kväveföreningar som förekommer i naturen är mycket litet jämfört med den strukturella mångfalden av kolföreningar. Detta beror främst på att kväveatomer bildar extremt stabila trippelbindningar vid normalt omgivningstryck. Under de senaste två decennierna har det dock blivit uppenbart att kvävets kemi förändras avsevärt under mycket höga tryck. Forskarlag vid University of Bayreuth, ledda av prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia och Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, har syntetiserat nya kväveföreningar (nitrider) som uppvisar ovanliga strukturer och i vissa fall har tekniskt mycket attraktiva egenskaper – som t.ex. mycket hög energitäthet eller extraordinär hårdhet. Den nu publicerade studien bygger på denna forskning.

De två nya yttriumnitriderna, YN6 och Y₂N₁1, skapades i en laseruppvärmd diamantstämpelcell. Vid ett kompressionstryck på 100 gigapascal och vid en temperatur på cirka 2 700 grader Celsius inträffade kemiska reaktioner mellan yttrium- och kväveatomer, vilket ledde till de nya föreningarna. Kristallstrukturerna för YN6 och Y₂N₁1 har unika arrangemang av kväveatomer:

• YN₆-kristaller innehåller plana, symmetriskt konstruerade ringstrukturer som kallas makrocykler. I var och en av dessa cykler är en yttriumatom omgiven av 18 kväveatomer arrangerade i en stjärnform. Ytterligare yttriumatomer ser till att makrocyklerna ligger stabilt ovanpå varandra.
• Y₂N₁₁-kristaller innehåller i sin tur två spiralkedjor av kväveatomer som tillsammans bildar en dubbelhelix. En sådan struktur är mycket sällsynt inom området oorganisk kemi. Den polynitrogena dubbelspiral som nu upptäckts kan vara lämplig som en ritning för syntes av andra oorganiska spiralstrukturer.

Avgörande för upptäckten av dessa mycket ovanliga strukturer var de senaste teknikerna för högtryckssynkrotron enkristallröntgendiffraktion. De avslöjade bland annat att kväveatomerna i de nya kristallstrukturerna är förbundna med varandra genom kovalenta bindningar, medan det inte finns några kovalenta bindningar mellan kväve- och yttriumatomerna.

"Inom organisk kemi är ring- och spiralformade kolföreningar av central betydelse. De få polynitrider som hittills är kända där kväveatomer bildar sådana strukturer är alla oorganiska föreningar. Men vår högtryckssyntes av Y₂N₁₁ är ytterligare ett bevis på att kväve har den grundläggande potentialen att bilda sådana strukturella enheter", säger Andrii Aslandukov, första författare till den nya publikationen och doktor. student i forskargruppen för Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vid Bayerska Geoinstitutet (BGI) och Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vid Laboratory of Crystallography vid University of Bayreuth.

"Tillsammans med våra partners i Linköping kommer vi att fortsätta att främja forskningen om sådana kväveföreningar i Bayreuth. Vi kanske inte är långt borta i högtrycksforskningen från att syntetisera polynitrider som uppvisar en strukturell mångfald som vi inte kan drömma om idag. Detta skulle vara början på en ny gren av kemin:kväveorganisk kemi vid höga tryck", förklarar prof. Dubrovinskaia. + Utforska vidare

Lika mycket tryck som Uranus kärna:Den första materialsyntesforskningen och studien i terapascalområdet