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 станет очевидно, что определенные свойства повторяются через большие промежутки времени («периоды»).
Периодическая таблица элементов подчеркивает эти повторения. Элементы с похожими свойствами размещаются один под другим в одном столбце и, таким образом, образуют группу элементов.
Вверху столбца находится элемент с наименьшим количеством протонов и наименьшим весом по сравнению с другими членами группы. Азот возглавляет группу элементов 15, но ранее считался «белой вороной» группы.
Причина: в более ранних экспериментах при высоком давлении азот не показал структур, подобных тем, которые более тяжелые элементы этой группы – особенно фосфор, мышьяк и сурьма – проявляют при нормальных условиях. Напротив, именно такое сходство можно было наблюдать при высоких давлениях в соседних группах, возглавляемых углеродом и кислородом.
Черный азот – материал высокого давления с технологически привлекательными свойствами
На самом деле, азот в конце концов не исключение.
Исследователи из Баварского научно-исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики (BGI) и лаборатории кристаллографии Университета Байройта теперь смогли доказать это с помощью метода измерения, который они недавно разработали. Под руководством доктора. Доминик Ланиэль, они сделали необычное открытие. При очень высоких давлениях и температурах атомы азота образуют кристаллическую структуру, характерную для черного фосфора, который является частным вариантом фосфора.
Также встречается в мышьяке и сурьме. Эта структура состоит из двумерных слоев, в которых атомы азота сшиты в виде однородного зигзагообразного узора. По своим проводящим свойствам эти 2D-слои похожи на графен, который является многообещающим материалом для высокотехнологичных приложений. Таким образом, черный фосфор в настоящее время изучается на предмет его потенциала в качестве материала для высокоэффективных транзисторов, полупроводников и других электронных компонентов в будущем.
Исследователи из Байройта предлагают аналогичное название для открытого ими аллотропа азота: черный азот. Некоторые технологически привлекательные свойства, в частности его зависимость от направленности (анизотропия), даже более выражены, чем у черного фосфора.
Однако черный азот может существовать только благодаря исключительным условиям давления и температуры, при которых он производится в лаборатории. В нормальных условиях растворяется сразу. "Из-за этой нестабильности промышленное применение в настоящее время невозможно. Тем не менее, азот остается очень интересным элементом в исследованиях материалов.
Наше исследование показывает на примере, что высокое давление и температура могут создавать структуру материала и свойства, о существовании которых исследователи ранее не подозревали », – говорит Ланиэль.
Определение структуры с помощью ускорителей частиц
Для производства черного азота потребовались действительно экстремальные условия.
Давление сжатия составляло 1.В 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 Advanced Photon Source (APS) в Аргоннской национальной лаборатории в США.
Здесь рентгеновские лучи, генерируемые ускорением частиц, попадали в сжатые образцы. "Мы были удивлены и заинтригованы данными измерений, которые внезапно предоставили нам структуру, характерную для черного фосфора. Дальнейшие эксперименты и расчеты с тех пор подтвердили этот вывод.
Это означает, что в этом нет никаких сомнений: азот, на самом деле, не исключительный элемент, но следует тому же золотому правилу периодической таблицы, что и углерод и кислород », – говорит Ланиэль, который приехал в Байройтский университет в 2019 году в качестве научный сотрудник Фонда Александра фон Гумбольдта.