grafeen, of een enkele laag grafiet, heeft een reeks nieuwe eigenschappen die sinds de ontdekking enorm veel aandacht hebben getrokken. Stikstof is de volgende buur van koolstof in het periodiek systeem der elementen, dus is het natuurlijk de vraag of stikstof een 2-D materiaal kan vormen dat lijkt op grafeen. Het is niet gemakkelijk om zo'n stikstoflaag voor te stellen, omdat stikstof één elektron meer heeft dan koolstof, overweldigend de bindingsvereiste van grafeen. Echter, alle elementen in de VA groep bar stikstof hebben allotropen met gelaagde structuren vergelijkbaar met grafiet maar met de lagen verbogen (Figuur 1A). Fosforeen is een typisch 2D-materiaal dat is afgeleid van de geknikte honingraatlagen van zwarte fosfor. Het vertoont een aantal ongewone elektronische, mechanisch, optisch, en transporteigenschappen met een groot potentieel als een prototypisch 2D-materiaal van de volgende generatie. Het vinden van een BP-gestructureerde stikstof betekent de synthese van een op stikstof gebaseerd 2D-materiaal, of stikstof, mogelijk wordt.

De vuistregel voor structurele veranderingen bij hoge druk is dat elementen onder hoge druk zich bij lagere drukken gedragen als de elementen eronder in het periodiek systeem. Als het eerste element van de VA-groep, Stikstof zit net boven fosfor. Theoretische berekeningen hebben de vorming van BP-gestructureerde stikstof bij hoge druk voorspeld. Echter, het is veel uitdagender om stikstof om te zetten in een BP-structuur dan de andere VA-elementen omdat stikstof N . vormt ₂ moleculen met extreem sterke drievoudige chemische bindingen. Hoewel stikstof is bestudeerd bij drukken van meer dan een miljoen atmosfeer (100 GPa), BP-gestructureerde stikstof is tot nu toe nooit gerapporteerd.

"Analoog aan de zwarte, wit, en rode fosfor allotropen, die vergelijkbare energieën hebben en onderling kunnen worden getransformeerd, enkelvoudig gebonden stikstof bij hoge druk kan ook meerdere polymorfen hebben die qua energie erg dicht bij elkaar liggen. Hoewel BP-gestructureerde stikstof niet wordt berekend als de allotroop met de laagste energie, we denken dat het kan worden gesynthetiseerd als een metastabiele fase bij bepaalde druk-temperatuuromstandigheden, " zei Dr. Huiyang Gou, een co-teamleider bij het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) in Beijing.

"Onze moleculair dynamische simulatie geeft aan dat BP-gestructureerde stikstof energetisch gunstiger wordt wanneer de temperatuur wordt verhoogd, wat de mogelijkheid inhoudt om BP-gestructureerde stikstof te synthetiseren bij hoge druk en hoge temperatuur, "zei Prof. Yansun Yao, van de Universiteit van Saskatchewan.

Het team gebruikte diamanten aambeeldcelapparatuur om formidabele druk uit te oefenen op moleculaire stikstof; een klein stikstofmonster tussen twee tegenover elkaar liggende scherpe diamantpunten knijpen (Figuur 1B), en het onderwerpen aan zeer hoge temperaturen door middel van krachtige laserverwarming. Ze onderzochten een groot drukbereik van 1,2 tot 1,9 miljoen keer de normale atmosferische druk, en zag de vorming van een nieuwe stikstoffase bij ongeveer 1,5 miljoen keer de normale atmosferische druk en 1, 900 graden Celsius.

De BP-structuur werd geïdentificeerd met behulp van op synchrotron gebaseerde monokristallijne röntgendiffractie (XRD) technieken (Figuur 1C), Raman-spectroscopie (Figuur 1D), en theoretische berekening. Het nieuwe materiaal vertoont een buitengewone reeks optische eigenschappen die verband houden met de anisotropie van de geknikte lagen, vooral, kolossale Raman-intensiteit in vergelijking met andere stikstoffasen. De reden voor de langdurige afwezigheid van BP-gestructureerde stikstof in hogedrukexperimenten wordt ook verklaard door theoretische berekeningen. De BP-gestructureerde stikstof transformeert terug naar N ₂ gas wanneer de druk wordt verlaagd.

Toekomstige studies zijn wenselijk om metastabiele BP-gestructureerde stikstof bij omgevingscondities te verkrijgen.

"De ontdekking van BP-gestructureerde stikstof is een typische showcase die het belang aantoont van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek onder extreme omstandigheden, " voegde Dr. Ho-kwang Mao toe, directeur van HPSTAR. "Het bestaan ​​van een materiaal bewijzen is de allereerste en essentiële stap naar toepassingen, die jaren of zelfs decennia van voortdurende onderzoeksinspanningen kunnen vergen."