“黑氮” –科学家解决了元素周期表的难题

当将氮气置于相对的钻石之间的钻石印章盒中并在极高的压力下将其压在一起时，就会形成黑氮。

拜罗伊特的研究人员发现了新的高压材料，并解决了元素周期表的难题。

在元素周期表中，对于碳，氧和其他轻元素有一个黄金法则。在高压下，它们具有与同一组元素中较重元素相似的结构。直到现在，似乎只有氮气总是不愿意走这条线。最近，拜罗伊特大学的高压研究人员实际上反驳了这一特殊地位。在氮的作用下，它们形成了晶体结构，该晶体结构在正常条件下以黑磷和砷存在。该结构包含二维原子层，因此对高科技电子学非常感兴趣。科学家们在《物理评论快报》中介绍了他们对“黑氮”的发现。

周期表中的部分：氮（红色）和重元素磷，砷，锑和铋（绿色）属于元素组15。在极高的压力下，氮与这些其他族成员一样，具有由之字形二维层组成的结构。左和右分别是第14和第16组，以碳和氧为首。

当您根据质子的数量按升序排列化学元素并查看其性质时，很快就会发现某些性质会以较大的间隔（“周期”）重现。元素周期表使这些重复成为焦点。具有相似属性的元素在同一列中一个又一个地放置，因此形成了一组元素。与其他组成员相比，列的顶部是质子最少且重量最小的元素。氮排在第15组，但以前被认为是该组的“败类”。原因：在较早的高压实验中，氮在正常条件下没有显示出与该组较重元素类似的结构-特别是磷，砷和锑。相反，可以在高压下在以碳和氧为首的相邻基团中观察到这种相似性。

巴伐利亚实验地球化学与地球物理研究所（BGI）的亚历山大·冯·洪堡基金会研究员Dominique Laniel博士。

实际上，氮气也不例外。巴伐利亚实验地球化学与地球物理研究所（BGI）和拜罗伊特大学晶体学实验室的研究人员现在已经能够借助他们最近开发的一种测量方法来证明这一点。在多米尼克·兰尼尔（Do​​minique Laniel）博士的领导下，他们做出了不寻常的发现。在非常高的压力和温度下，氮原子形成一种晶体结构，该结构是黑磷的特征，而黑磷是磷的一种特殊变体。它也以砷和锑的形式出现。该结构由二维层组成，其中氮原子以均匀的锯齿形交联。就其导电性能而言，这些2D层类似于石墨烯，作为高科技应用的材料，它具有广阔的前景。因此，目前正在研究黑磷作为未来高效晶体管，半导体和其他电子元件材料的潜力。

拜罗伊特的研究人员正在为他们发现的氮的同素异形体提出一个类似的名称：黑氮。一些技术上引人注目的特性，尤其是其方向依赖性（各向异性），比黑磷更为显着。但是，黑氮只能在实验室中产生的异常压力和温度条件下才能存在。在正常情况下，它会立即溶解。由于这种不稳定，目前工业应用尚不可行。然而，氮仍然是材料研究中非常有趣的元素。我们的研究以举例的方式表明，高压和高温会产生研究人员以前不知道的材料结构和性能。 Laniel说。

用粒子加速器确定结构

生产黑氮需要真正的极端条件。压缩压力是地球大气压力的140万倍，温度超过4,000摄氏度。为了找出原子在这些条件下的排列方式，拜罗伊特的科学家与汉堡的德国电子同步加速器（DESY）和美国阿贡国家实验室的先进光子源（APS）合作。在这里，由粒子加速产生的X射线被发射到压缩的样品上。“测量数据突然为我们提供了黑磷的结构特征，我们对此感到惊讶和好奇。此后，进一步的实验和计算证实了这一发现。这意味着毫无疑问：氮实际上不是一种特殊的元素，但遵循与碳和氧相同的元素周期表的黄金定律。”拉尼尔（Laniel）说道，他于2019年来到拜罗伊特大学（University of Bayreuth），亚历山大·冯·洪堡基金会研究员。

参考：Dominique Laniel，Bjoern Winkler，Timofey Fedotenko，Anna Pakhomova，Stella Chariton，Victor Milman，Vitali Prakapenka，Leonid Dubrovinsky和Natalia Dubrovinskaia撰写的“具有黑色磷结构的高压聚合氮同素异形体”，2020年5月28日，《物理评论》信。 ：
10.1103 / PhysRevLett.124.216001

国际合作

除了汉堡的德国电子同步加速器（DESY）和伊利诺伊州/美国的先进光子源（APS）之外，歌德大学法兰克福分校和国际软件公司BIOVIA都是拜罗伊特大学的研究合作伙伴参加了这项新研究。

研究经费

拜罗伊特大学的研究工作由德国研究基金会（DFG），联邦教育与研究部（BMBF）和亚历山大·冯·洪堡基金会资助。