In het periodiek systeem der elementen is er één gouden regel voor koolstof, zuurstof en andere lichte elementen:onder hoge druk, ze hebben vergelijkbare structuren als zwaardere elementen in dezelfde groep elementen. Maar stikstof leek altijd niet bereid om de lijn te volgen. Echter, hogedrukchemie-onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth hebben deze speciale status weerlegd. Uit stikstof, ze creëerden een kristallijne structuur die, onder normale omstandigheden, komt voor in zwarte fosfor en arseen. De structuur bevat tweedimensionale atomaire lagen, en is daarom van groot belang voor hightech elektronica. De wetenschappers hebben deze "zwarte stikstof" gepresenteerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Stikstof - een uitzondering in het periodiek systeem?

Wanneer je de chemische elementen in oplopende volgorde rangschikt op basis van hun aantal protonen en naar hun eigenschappen kijkt, al snel wordt duidelijk dat bepaalde eigenschappen met grote tussenpozen (perioden) terugkeren. Het periodiek systeem der elementen brengt deze herhalingen in beeld. Elementen met vergelijkbare eigenschappen worden onder elkaar in dezelfde kolom geplaatst, en vormen zo een groep elementen. Bovenaan een kolom staat het element dat de minste protonen en het laagste gewicht heeft in vergelijking met de andere groepsleden. Stikstofkoppen element groep 15, maar werd eerder beschouwd als het "zwarte schaap" van de groep. De reden:in eerdere hogedrukexperimenten, stikstof vertoonde geen structuren vergelijkbaar met die onder normale omstandigheden door de zwaardere elementen van deze groep, met name fosfor, arseen en antimoon. In plaats daarvan, dergelijke overeenkomsten worden waargenomen bij hoge drukken in de naburige groepen met aan het hoofd koolstof en zuurstof.

In feite, stikstof is geen uitzondering op de regel. Dat hebben onderzoekers van het Beiers onderzoeksinstituut voor Experimentele Geochemie &Geofysica (BGI) en het Laboratorium voor Kristallografie van de Universiteit van Bayreuth nu bewezen met behulp van een recent ontwikkelde meetmethode. Onder leiding van Dr. Dominique Laniel, ze hebben een ongewone ontdekking gedaan. Bij zeer hoge drukken en temperaturen, stikstofatomen vormen een kristallijne structuur die kenmerkend is voor zwarte fosfor, wat een bijzondere variant van fosfor is. De structuur komt ook voor in arseen en antimoon. Het is samengesteld uit tweedimensionale lagen waarin stikstofatomen zijn verknoopt in een uniform zigzagpatroon. Wat hun geleidende eigenschappen betreft, deze 2D-lagen lijken op grafeen, die veelbelovend is als materiaal voor hightech-toepassingen. Daarom, zwarte fosfor wordt momenteel bestudeerd vanwege zijn potentieel als materiaal voor zeer efficiënte transistors, halfgeleiders, en andere elektronische componenten in de toekomst.

De Bayreuth-onderzoekers stellen een analoge naam voor de allotroop van stikstof die ze hebben ontdekt:zwarte stikstof. Enkele technologisch aantrekkelijke eigenschappen, in het bijzonder de richtingsafhankelijkheid (anisotropie), zijn zelfs meer uitgesproken dan in zwarte fosfor. Echter, zwarte stikstof kan alleen bestaan ​​bij uitzonderlijke druk- en temperatuuromstandigheden waaronder het in het laboratorium wordt geproduceerd. Onder normale omstandigheden, het lost onmiddellijk op. “Vanwege deze instabiliteit, industriële toepassingen zijn momenteel niet haalbaar. Hoe dan ook, stikstof blijft een zeer interessant element in het materiaalonderzoek. Onze studie toont bij wijze van voorbeeld aan dat hoge drukken en temperaturen materiaalstructuren en eigenschappen kunnen produceren waarvan onderzoekers voorheen niet wisten dat ze bestonden, ' zegt Laniël.

Structuur bepalen met deeltjesversnellers

Er waren echt extreme omstandigheden nodig om zwarte stikstof te produceren. De compressiedruk was 1,4 miljoen keer de druk van de aardatmosfeer, en de temperatuur overschreed 4, 000 graden Celsius. Om erachter te komen hoe atomen zich onder deze omstandigheden rangschikken, de Bayreuth-wetenschappers werkten samen met het Duitse Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg en de Advanced Photon Source (APS) in het Argonne National Laboratory in de VS. Hier, Röntgenstralen gegenereerd door deeltjesversnelling werden afgevuurd op de gecomprimeerde monsters.

"We waren verrast en geïntrigeerd door de meetgegevens die ons plotseling een structuur gaven die kenmerkend is voor zwarte fosfor. Sindsdien hebben verdere experimenten en berekeningen deze bevinding bevestigd. Dit betekent dat er geen twijfel over bestaat:stikstof is, in feite, geen uitzonderlijk element, maar volgt dezelfde gouden regel van het periodiek systeem als koolstof en zuurstof, " zegt Laniël, die in 2019 naar de Universiteit van Bayreuth kwam als onderzoeker van de Alexander von Humboldt Foundation.