Onderzoekers van de universiteiten van Bayreuth en Linköping hebben onder zeer hoge druk twee verrassende verbindingen gemaakt van stikstof en het zeldzame aardmetaal yttrium. De nieuwe polynitriden bevatten ring- en spiraalvormige kristalstructuren van stikstof die nog nooit eerder in experimenten zijn waargenomen of in theoretische berekeningen zijn voorspeld. Ze lijken op wijdverbreide structuren van koolstofverbindingen. De hogedruksynthese beschreven in het tijdschrift Angewandte Chemie laten zien dat de diversiteit van mogelijke stikstofverbindingen en hun structuren veel groter is dan het gedrag van stikstofatomen onder normale omstandigheden doet vermoeden.

Het aantal stikstofverbindingen dat in de natuur voorkomt is erg klein in vergelijking met de structurele diversiteit van koolstofverbindingen. Dit komt vooral omdat stikstofatomen extreem stabiele drievoudige bindingen vormen bij normale omgevingsdruk. In de afgelopen twee decennia is echter duidelijk geworden dat de chemie van stikstof aanzienlijk verandert onder zeer hoge drukken. Onderzoeksteams van de Universiteit van Bayreuth, onder leiding van prof. dr. Natalia Dubrovinskaia en prof. dr. Leonid Dubrovinsky, hebben nieuwe stikstofverbindingen (nitriden) gesynthetiseerd die ongebruikelijke structuren vertonen en in sommige gevallen technologisch zeer aantrekkelijke eigenschappen hebben, zoals zeer hoge energiedichtheid of buitengewone hardheid. De nu gepubliceerde studie bouwt voort op dit onderzoek.

De twee nieuwe yttriumnitrides, YN₆ en Y₂N₁₁, zijn gemaakt in een laserverwarmde diamantstempelcel. Bij een compressiedruk van 100 gigapascal en bij een temperatuur van ongeveer 2.700 graden Celsius vonden er chemische reacties plaats tussen yttrium- en stikstofatomen, wat leidde tot de nieuwe verbindingen. De kristalstructuren van YN₆ en Y₂N₁₁ hebben unieke rangschikkingen van stikstofatomen:

• YN₆-kristallen bevatten vlakke, symmetrisch opgebouwde ringstructuren die macrocycli worden genoemd. In elk van deze cycli wordt een yttriumatoom omringd door 18 stikstofatomen die in een stervorm zijn gerangschikt. Extra yttriumatomen zorgen ervoor dat de macrocycli stabiel op elkaar liggen.
• Y₂N₁₁-kristallen bevatten op hun beurt twee spiraalvormige ketens van stikstofatomen die samen een dubbele helix vormen. Een dergelijke structuur is zeer zeldzaam op het gebied van de anorganische chemie. De nu ontdekte polynitrogene dubbele helix kan geschikt zijn als blauwdruk voor de synthese van andere anorganische spiraalstructuren.

Cruciaal voor de detectie van deze zeer ongebruikelijke structuren waren de nieuwste technieken van hogedruk synchrotron monokristallijne röntgendiffractie. Ze onthulden onder meer dat de stikstofatomen in de nieuwe kristalstructuren met elkaar verbonden zijn door covalente bindingen, terwijl er geen covalente bindingen zijn tussen de stikstof- en yttriumatomen.

"In de organische chemie zijn ring- en spiraalvormige koolstofverbindingen van centraal belang. De weinige polynitriden die tot nu toe bekend zijn waarin stikstofatomen dergelijke structuren vormen, zijn allemaal anorganische verbindingen. Onze hogedruksynthese van Y₂N₁₁ is echter verder bewijs dat stikstof heeft het fundamentele potentieel om dergelijke structurele eenheden te vormen", zegt Andrii Aslandukov, eerste auteur van de nieuwe publicatie en een Ph.D. student van het onderzoeksteam van Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky aan het Beiers Geo-instituut (BGI) en Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia aan het Laboratorium voor Kristallografie van de Universiteit van Bayreuth.

"Samen met onze partners in Linköping zullen we doorgaan met het onderzoek naar dergelijke stikstofverbindingen in Bayreuth. We zijn misschien niet ver verwijderd van onderzoek onder hoge druk van het synthetiseren van polynitriden die een structurele diversiteit vertonen die we vandaag de dag nog niet durven dromen. Dit zou het begin zijn van een nieuwe tak van de chemie:organische stikstofchemie bij hoge druk", legt prof. Dubrovinskaia uit. + Verder verkennen

Zoveel druk als de kern van Uranus:het eerste onderzoek en onderzoek naar materiaalsynthese in het terapascal-bereik