«Черный азот»: исследователи открывают новый материал

В периодической таблице элементов есть одно золотое правило для углерода, кислорода и других легких элементов: При высоких давлениях они имеют структуру, схожую с более тяжелыми элементами той же группы. Но азот всегда казался непохожим.

Однако исследователи химии высоких давлений из Университета Байройта опровергли этот особый статус. Из азота они создали кристаллическую структуру, которая при нормальных условиях встречается в черном фосфоре и мышьяке. Структура содержит двумерные атомные слои, и поэтому представляет большой интерес для высокотехнологичной электроники. Ученые представили этот "черный азот" в Physical Review Letters.

Азот - исключение в периодической системе?

Когда вы расставляете химические элементы по возрастанию в соответствии с их количеством протонов и смотрите на их свойства, то вскоре становится очевидным, что определенные свойства повторяются через большие промежутки времени (периоды). Периодическая таблица элементов ставит эти повторения в центр своего внимания. Элементы со схожими свойствами помещаются один под другим в той же колонке и таким образом образуют группу элементов. В верхней части колонки находится элемент, имеющий наименьшее количество протонов и наименьший вес по сравнению с другими членами группы.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Азот возглавляет группу элементов №15, но ранее считался "белой вороной" группы. Причина: В более ранних экспериментах под высоким давлением азот не проявлял особой структуры, схожей с теми, которые демонстрировали в нормальных условиях более тяжелые элементы этой группы - в частности, фосфор, мышьяк и сурьма. Вместо этого подобное сходство наблюдается при высоких давлениях в соседних группах, возглавляемых углеродом и кислородом.

На самом деле, азот не является исключением из правила. Исследователи Баварского научно-исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики (BGI) и Лаборатории кристаллографии Университета Байройта в настоящее время доказали это с помощью недавно разработанного ими метода измерения. Под руководством доктора Доминика Ланиэля они сделали необычное открытие. При очень высоких давлениях и температурах атомы азота образуют кристаллическую структуру, характерную для черного фосфора, который является особым вариантом фосфора. Эта структура встречается также в мышьяке и сурьме.

Она состоит из двухмерных слоев, в которых атомы азота сшиты однородным зигзагообразным узором. По своим проводящим свойствам эти двухмерные слои схожи с графеном, который является перспективным материалом для высокотехнологичных применений. Поэтому в настоящее время изучается потенциал черного фосфора как материала для высокоэффективных транзисторов, полупроводников и других электронных компонентов в будущем.

Исследователи из Байройта предлагают аналогичное название открытому ими аллотропу азота: черный азот. Некоторые технологически привлекательные свойства, в частности, его направленная зависимость (анизотропия), еще более выражены, чем у черного фосфора. Однако черный азот может существовать только в исключительных условиях давления и температуры, при которых он производится в лаборатории. При нормальных условиях он растворяется мгновенно. "Из-за этой нестабильности промышленное применение в настоящее время невозможно". Тем не менее, азот остается очень интересным элементом в исследовании материалов. Наше исследование показывает, что при высоких давлениях и температурах могут образовываться структуры и свойства материалов, о существовании которых раньше исследователи не знали", - говорит Ланиэль.

Потребовались действительно экстремальные условия, чтобы произвести черный азот. Давление сжатия в 1,4 миллиона раз превышало давление земной атмосферы, а температура превышала 4000 градусов Цельсия. 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 Аргонской национальной лаборатории в США. Здесь рентгеновские лучи, генерируемые при ускорении частиц, обстреливали сжатые пробы.

"Мы были удивлены и заинтригованы данными измерений, которые внезапно предоставили нам структуру, характерную для черного фосфора. Дальнейшие эксперименты и расчеты подтвердили это открытие. Это означает, что в этом нет сомнений: Азот на самом деле не является исключительным элементом, а следует тому же золотому правилу периодической таблицы, что и углерод и кислород", - говорит Ланиэль, приехавший в Университет Байройта в 2019 году в качестве научного сотрудника Фонда Александра фон Гумбольдта. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet