En la tabla periódica de elementos hay una regla de oro para el carbono, el oxígeno y otros elementos ligeros. Bajo altas presiones tienen estructuras similares a elementos más pesados en el mismo grupo de elementos. Solo el nitrógeno siempre parecía no estar dispuesto a seguir la línea.Sin embargo, los investigadores de alta presión de la Universidad de Bayreuth han refutado este estado especial. De nitrógeno, han creado una estructura cristalina que, en condiciones normales, se produce en fósforo negro y arsénico. La estructura contiene capas atómicas bidimensionales, y espor lo tanto de gran interés para la electrónica de alta tecnología. Los científicos han presentado este "nitrógeno negro" en " Cartas de revisión física . "
Nitrógeno: ¿una excepción en el sistema periódico?
Cuando ordena los elementos químicos en orden ascendente de acuerdo con su número de protones, y observa sus propiedades, pronto se hace evidente que ciertas propiedades se repiten a grandes intervalos "períodos". La tabla periódica de elementos trae estas repeticiones aLos elementos con propiedades similares se colocan uno debajo del otro en la misma columna y, por lo tanto, forman un grupo de elementos. En la parte superior de una columna se encuentra el elemento que tiene la menor cantidad de protones y el menor peso en comparación con los otros miembros del grupo.El elemento 15 de las cabezas de nitrógeno, pero anteriormente se consideraba la "oveja negra" del grupo. La razón: en experimentos anteriores de alta presión, el nitrógeno no mostró estructuras similares a las de los elementos más pesados de este grupo, especialmente fósforo, arsénico yantimonio - se exhibe en condiciones normales. En cambio, exactamente este tipo de similitudes se pueden observar a altas presiones en los grupos vecinos encabezados por carbono y oxígeno.
nitrógeno negro - un material de alta presión con propiedades tecnológicamente atractivas
De hecho, el nitrógeno no es una excepción después de todo. Los investigadores del Instituto Bávaro de Investigación de Geoquímica y Geofísica Experimental BGI y el Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth ahora han podido probar esto con la ayuda de un método de mediciónrecientemente se desarrollaron. Bajo el liderazgo del Dr. Dominique Laniel, han hecho un descubrimiento inusual. A presiones y temperaturas muy altas, los átomos de nitrógeno forman una estructura cristalina que es característica del fósforo negro, que es una variante particular del fósforo. Tambiénocurre en arsénico y antimonio. Esta estructura está compuesta de capas bidimensionales en las cuales los átomos de nitrógeno están reticulados en un patrón de zigzag uniforme. En términos de sus propiedades conductoras, estas capas 2D son similares al grafeno, lo que muestra una gran promesa comomaterial para aplicaciones de alta tecnología. Por lo tanto, el fósforo negro se está estudiando actualmente por su potencial como material para transistores altamente eficientes, semiconductores y otros componentes electrónicos en el futuro.
Los investigadores de Bayreuth proponen un nombre análogo para el alótropo de nitrógeno que han descubierto: nitrógeno negro. Algunas propiedades tecnológicamente atractivas, en particular su dependencia direccional anisotropía, son aún más pronunciadas que en el fósforo negro. Sin embargo, el nitrógeno negro puedesolo existe gracias a las condiciones excepcionales de presión y temperatura bajo las cuales se produce en el laboratorio. En condiciones normales se disuelve de inmediato ". Debido a esta inestabilidad, las aplicaciones industriales no son factibles actualmente. Sin embargo, el nitrógeno sigue siendo un elemento muy interesante en la investigación de materiales"Nuestro estudio muestra a modo de ejemplo que las altas presiones y temperaturas pueden producir estructuras y propiedades materiales que los investigadores no sabían previamente que existían", dice Laniel.
Determinación de la estructura con aceleradores de partículas
Se necesitaron condiciones realmente extremas para producir nitrógeno negro. La presión de compresión era 1.4 millones de veces la presión de la atmósfera de la Tierra, y la temperatura excedía los 4,000 grados Celsius. Para descubrir cómo se arreglan los átomos bajo estas condiciones, los científicos de Bayreuth cooperaron conel Sincrotrón Electrónico Alemán DESY en Hamburgo y la Fuente Avanzada de Fotones APS en el Laboratorio Nacional Argonne en los EE.UU .. Aquí, los rayos X generados por la aceleración de partículas fueron disparados a las muestras comprimidas ". Nos sorprendió e intrigólos datos de medición de repente nos proporcionan una estructura característica del fósforo negro. Desde entonces, otros experimentos y cálculos han confirmado este hallazgo. Esto significa que no hay duda al respecto: el nitrógeno, de hecho, no es un elemento excepcional, sino que sigue la misma regla de oro dela tabla periódica como lo hacen el carbono y el oxígeno ", dice Laniel, quien llegó a la Universidad de Bayreuth en 2019 como una Fundación Alexander von Humboldtcompañero de investigación.
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Materiales proporcionado por Universität Bayreuth . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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