«Черный азот» — ученые решают загадку периодической таблицы

В периодической таблице элементов есть одно золотое правило для углерода, кислорода и других легких элементов. Под высоким давлением они имеют структуру, аналогичную более тяжелым элементам в той же группе элементов. Недавно исследователи из Университета Байройта под большим давлением фактически опровергли этот особый статус. Из азота они создали кристаллическую структуру, которая в нормальных условиях встречается в черном фосфоре и мышьяке. Структура содержит двумерные атомные слои и поэтому представляет большой интерес для высокотехнологичной электроники. Ученые представили свое открытие «черного азота» в «Physical Review Letters».

Азот — исключение в периодической системе?

Когда вы расположите химические элементы в порядке возрастания в соответствии с их количеством протонов и посмотрите на их свойства, вскоре становится очевидным, что определенные свойства повторяются через большие интервалы («периоды»). Периодическая таблица элементов фокусирует эти повторения. Элементы с аналогичными свойствами размещаются один под другим в одном столбце и, таким образом, образуют группу элементов. В верхней части столбца находится элемент с наименьшим количеством протонов и наименьшим весом по сравнению с другими членами группы. Азот возглавляет группу элементов 15, но ранее считался «черной овцой» группы. Причина: в более ранних экспериментах с высоким давлением азот не обнаружил структур, подобных тем, которые более тяжелые элементы этой группы — особенно фосфор, мышьяк и сурьма — демонстрируют в нормальных условиях.

Черный азот — материал высокого давления с технологически привлекательными свойствами

Исследователи из Баварского научно-исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики (BGI) и лаборатории кристаллографии в Университете Байройта смогли доказать это с помощью метода измерения, который они недавно разработали. Под руководством доктора Доминика Ланиэля они сделали необычное открытие.

При очень высоких давлениях и температурах атомы азота образуют кристаллическую структуру, которая характерна для черного фосфора, который является частным вариантом фосфора. Это также происходит в мышьяке и сурьме. Эта структура состоит из двумерных слоев, в которых атомы азота сшиты в единый зигзагообразный рисунок. По своим проводящим свойствам эти двумерные слои похожи на графен, что показывает большие перспективы в качестве материала для высокотехнологичных приложений. Поэтому черный фосфор в настоящее время изучается на предмет его потенциала в будущем в качестве материала для высокоэффективных транзисторов, полупроводников и других электронных компонентов.

Исследователи Байройта предлагают аналогичное название для аллотропа азота, который они обнаружили: черный азот. Некоторые технологически привлекательные свойства, в частности его направленная зависимость (анизотропия), даже более выражены, чем у черного фосфора. Тем не менее, черный азот может существовать только благодаря исключительным условиям давления и температуры, при которых он производится в лаборатории. При нормальных условиях растворяется немедленно.

«Из-за этой нестабильности промышленное применение в настоящее время неосуществимо. Тем не менее, азот остается очень интересным элементом в исследованиях материалов. Наше исследование показывает в качестве примера, что высокие давления и температуры могут создавать материальные структуры и свойства, которые исследователи ранее не знали, существуют», — говорит Ланиэль.

Определение структуры с помощью ускорителей частиц

Для производства черного азота потребовались действительно экстремальные условия. Давление сжатия в 1,4 миллиона раз превышало давление атмосферы Земли, а температура превышала 4000 градусов по Цельсию. Чтобы выяснить, как атомы располагаются в этих условиях, ученые из Байройта сотрудничали с немецким электронным синхротроном (DESY) в Гамбурге и усовершенствованным источником фотонов (APS) в Аргоннской национальной лаборатории в США. Здесь рентгеновские лучи, генерируемые ускорением частиц, испускались на сжатые образцы.

«Мы были удивлены и заинтригованы данными измерений, которые неожиданно предоставили нам структуру, характерную для черного фосфора. Дальнейшие эксперименты и расчеты подтвердили этот вывод. Это означает, что в этом нет никаких сомнений: азот, на самом деле, не является исключительным элементом, но следует тому же золотому правилу периодической таблицы, что и углерод и кислород », — говорит Ланиэль, поступивший в Университет Байройта в 2019 году как научный сотрудник Фонда Александра фон Гумбольдта.

Источник

Метки: азот