I det periodiska systemet med element finns det en gyllene regel för kol, syre och andra ljuselement:Under högt tryck, de har liknande strukturer som tyngre element i samma grupp av element. Men kväve verkade alltid ovilligt att tåla linjen. Dock, högtryckskemi forskare vid University of Bayreuth har motbevisat denna speciella status. Av kväve, de skapade en kristallin struktur som, under normala förhållanden, förekommer i svart fosfor och arsenik. Strukturen innehåller tvådimensionella atomskikt, och är därför av stort intresse för högteknologisk elektronik. Forskarna har presenterat detta "svarta kväve" i Fysiska granskningsbrev .

Kväve - ett undantag i det periodiska systemet?

När du ordnar de kemiska elementen i stigande ordning efter deras antal protoner och tittar på deras egenskaper, det blir snart uppenbart att vissa egenskaper återkommer med stora intervall (perioder). Det periodiska tabellen med element tar dessa repetitioner i fokus. Element med liknande egenskaper placeras under varandra i samma kolumn, och därmed bilda en grupp element. Högst upp i en kolumn är det element som har minst protoner och lägst vikt jämfört med de andra gruppmedlemmarna. Kvävehuvuden element grupp 15, men betraktades tidigare som gruppens "svarta får". Anledningen:I tidigare högtrycksförsök, kväve visade inga strukturer som liknade de som uppvisades under normala förhållanden av de tyngre elementen i denna grupp - specifikt, fosfor, arsenik och antimon. Istället, sådana likheter observeras vid höga tryck i de angränsande grupperna som leds av kol och syre.

Faktiskt, kväve är inget undantag från regeln. Forskare vid Bayern Research Institute of Experimental Geochemistry &Geophysics (BGI) och Laboratory for Crystallography vid University of Bayreuth har nu bevisat detta med hjälp av en mätmetod som de nyligen utvecklat. Under ledning av Dr. Dominique Laniel, de har gjort en ovanlig upptäckt. Vid mycket höga tryck och temperaturer, kväveatomer bildar en kristallin struktur som är karakteristisk för svart fosfor, som är en särskild variant av fosfor. Strukturen förekommer också i arsenik och antimon. Den består av tvådimensionella lager där kväveatomer är tvärbundna i ett enhetligt sicksackmönster. När det gäller deras ledande egenskaper, dessa 2-D-lager liknar grafen, som visar stort löfte som material för högteknologiska applikationer. Därför, svart fosfor studeras för närvarande för sin potential som material för högeffektiva transistorer, halvledare, och andra elektroniska komponenter i framtiden.

Bayreuth -forskarna föreslår ett analogt namn för allotropen av kväve som de har upptäckt:svart kväve. Några tekniskt attraktiva fastigheter, särskilt dess riktningsberoende (anisotropi), är ännu mer uttalade än i svart fosfor. Dock, svart kväve kan endast existera vid exceptionella tryck- och temperaturförhållanden under vilka det produceras i laboratoriet. Under normala förhållanden, det löser sig omedelbart. "På grund av denna instabilitet, industriella tillämpningar är för närvarande inte genomförbara. Ändå, kväve är fortfarande ett mycket intressant element i materialforskning. Vår studie visar som exempel att höga tryck och temperaturer kan producera materialstrukturer och egenskaper som forskare tidigare inte visste fanns, säger Laniel.

Bestäm struktur med partikelacceleratorer

Det krävdes verkligen extrema förhållanden för att producera svart kväve. Kompressionstrycket var 1,4 miljoner gånger trycket från jordens atmosfär, och temperaturen översteg 4, 000 grader Celsius. För att ta reda på hur atomer ordnar sig under dessa förhållanden, Bayreuth -forskarna samarbetade med German Electron Synchrotron (DESY) i Hamburg och Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory i USA. Röntgenstrålar som genererades genom partikelacceleration sköts mot de komprimerade proverna.

"Vi blev förvånade och fascinerade av mätdata som plötsligt gav oss en struktur som är karakteristisk för svart fosfor. Ytterligare experiment och beräkningar har sedan bekräftat detta fynd. Det betyder att det inte råder någon tvekan om det:Kväve är, faktiskt, inte ett exceptionellt inslag, men följer samma gyllene regel i det periodiska systemet som kol och syre gör, säger Laniel, som kom till University of Bayreuth 2019 som forskare vid Alexander von Humboldt Foundation.