Objav nepolapiteľnej „čiernej“ dusíkovej štruktúry konečne rieši záhadu chémie

Diamantová kovadlina. (Christian Wißler/Univerzita v Bayreuthe)

Pokiaľ ide o uvedenie ľahších prvkov periodickej tabuľky pod vysoký tlak, zdá sa, že dusík je zvláštny. Zatiaľ čo kyslík, bór a uhlík všetky menia štruktúru podľa špecifického vzoru, dusík nie, čo je do očí bijúca anomália, ktorú sa vedci snažia vyriešiť.

Nové zistenie odhaľuje, že dusík nakoniec nemusí byť až taký čudák – potrebuje len správne extrémne tlakové podmienky a potom zapadne a správa sa rovnako ako ostatní.

Periodická tabuľkaje usporiadaná vo vzostupnom poradí na základe počtu protónov v atómovom jadre každého prvku, zľava doprava cez 18 očíslovaných stĺpcov, známych aj ako rodiny. Tieto rodiny nie sú náhodné – skladajú sa z prvkov, ktoré majú podobné vlastnosti a opakujú sa v intervaloch.



Prvky v hornej časti takého stĺpca rodiny majú najnižší počet protónov a najnižšiu hmotnosť. A tu to začína byť zaujímavé.

V niektorých rodinách, keď sa pod tlakom vytvárajú alternatívne fyzikálne formy - alotropy - vrchného prvku, vykazujú podobné štruktúrne vlastnosti ako ťažšie prvky nižšie v skupine, ale za normálnych podmienok nie je potrebný nadmerný tlak.

Allotropy sú fascinujúce; sú to rôzne formy prvkov, ktoré môžu existovať v rovnakom stave. Napríklad grafit, grafén a diamant sú alotrópy uhlíka, všetky existujú v pevnom stave. Dikyslík a ozón sú alotrópy kyslíka – všetky sú plynné. Bór má tiež niekoľko alotropov.

Podľa vedcov všetky vyššie uvedené alotropy pekne sledujú rodinný vzor.

Potom je tu dusík. Jeho rodina obsahuje dusík, fosfor, arzén, antimón, bizmut a moscovium. V predchádzajúcich vysokotlakových experimentoch dusík nevykazoval žiadne štruktúry podobné žiadnemu z týchto prvkov.

Ale možno sme ich len nenašli? Vedci z Bayreuthskej univerzity v Nemecku vyvinuli novú metódu merania dusíka pod vysokým tlakom.

Najprv vytlačili plynný dusík v diamantovej nákove na takmer 1,4 milióna násobok atmosférického tlaku na hladine mora, pričom ho pomocou lasera zahriali na teplotu okolo 3 726 stupňov Celzia (6 740 stupňov Fahrenheita). Tento proces prebiehal v etapách.

Potom použili synchrotrónovú monokryštálovú röntgenovú difrakciu - röntgenové lúče vyžarované cez urýchľovač častíc - na štúdium a identifikáciu materiálu, kde sa nachádzal, a vykonali doplnkové merania Ramanovej spektroskopie a výpočty funkčnej teórie hustoty na potvrdenie tejto identifikácie.

Kryštalická štruktúra stlačeného a zahriateho dusíka bola niečím novým – ale aj známym. Materiál, ktorý výskumníci našli, nebol štrukturálne podobný prvkom rodiny dusíka, ale alotrópom rodiny dusíka. Najmä alotrop fosforu nazývaný čierny fosfor, ale aj alotropy arzénu a antimónu nazývané čierny arzén a čierny antimón.

'Prekvapilo nás a zaujalo nás, že namerané údaje nám zrazu poskytli štruktúru charakteristickú pre čierny fosfor,' povedal fyzik a chemik Dominique Laniel z Bayreuthskej univerzity.

„Ďalšie experimenty a výpočty odvtedy potvrdili toto zistenie. To znamená, že o tom niet pochýb: dusík v skutočnosti nie je výnimočný prvok, ale riadi sa rovnakým zlatým pravidlom periodickej tabuľky ako uhlík a kyslík.“

Výskumníci preto navrhli názov „čierny dusík“ a veria, že má zaujímavé potenciálne aplikácie. Skladá sa z dvojrozmerných vrstiev, pričom atómy sú usporiadané v zosieťovanom cik-cak vzore.

Rovnako ako grafén sa čierny dusík javí ako vysoko vodivý – čo znamená, že by mohol byť užitočný pre polovodiče, tranzistory a iné high-tech aplikácie.

V súčasnosti je však príliš nestabilný. Môže existovať iba v týchto podmienkach vysokého tlaku a vysokej teploty. Vo chvíli, keď sa tieto vplyvy uvoľnia, čierny dusík sa rozpustí.

„Pre túto nestabilitu nie sú v súčasnosti priemyselné aplikácie uskutočniteľné,“ Povedal Laniel .

„Napriek tomu dusík zostáva veľmi zaujímavým prvkom vo výskume materiálov. Naša štúdia ukazuje ako príklad, že vysoké tlaky a teploty môžu vytvárať materiálové štruktúry a vlastnosti, o ktorých vedci predtým nevedeli.“

Výskum bol publikovaný v r Fyzické prehľadové listy .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.