Die Entdeckung der schwer fassbaren ‘schwarzen’ Stickstoffstruktur löst schließlich das Rätsel der Chemie

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Wenn es darum geht, die leichteren Elemente des Periodensystems unter hohen Druck zu setzen, scheint Stickstoff das Ungewöhnliche zu sein. Während Sauerstoff, Bor und Kohlenstoff die Struktur nach einem bestimmten Muster ändern, Stickstoff nicht, hat eine krasse Anomalie, die Wissenschaftler nur schwer lösen können.

Ein neuer Befund zeigt, dass Stickstoff vielleicht doch nicht so verrückt ist – er braucht nur die richtigen Extremdruckbedingungen, und dann fällt er in Einklang und verhält sich genau wie die anderen.

Das Periodensystem ist in aufsteigender Reihenfolge basierend auf der Anzahl der Protonen im Atomkern jedes Elements von links nach rechts über 18 nummerierte Spalten angeordnet, die auch als Familien bezeichnet werden. Diese Familien sind nicht zufällig – sie bestehen aus Elementen mit ähnlichen Eigenschaften, die sich über Intervalle wiederholen.

Elemente am oberen Rand einer solchen Familiensäule haben die geringste Anzahl von Protonen und die niedrigste Masse. Und dort wird es interessant.

In einigen Familien zeigen alternative physikalische Formen – Allotrope – des oberen Elements unter Druck ähnliche strukturelle Eigenschaften wie schwerere Elemente weiter unten in der Gruppe, aber unter normalen Bedingungen ist kein übermäßiger Druck erforderlich.

Allotrope sind faszinierend; Es sind verschiedene Formen von Elementen, die im selben Zustand existieren können. Beispielsweise sind Graphit, Graphen und Diamant Allotrope von Kohlenstoff, die alle im festen Zustand vorliegen. Sauerstoff und Ozon sind Allotrope von Sauerstoff – alle gasförmig. Bor hat auch mehrere Allotrope.

Laut den Forschern folgen alle oben genannten Allotrope gut dem Familienmuster.

Dann gibt es Stickstoff. Seine Familie enthält Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut und Moscovium. In früheren Hochdruckversuchen zeigte Stickstoff keine Strukturen, die einem dieser Elemente ähnlich waren.

Aber vielleicht haben wir sie einfach nicht gefunden? Forscher der Universität Bayreuth haben eine neue Methode zur Messung von Stickstoff unter hohem Druck entwickelt.

Zunächst drückten sie Stickstoffgas in einem Diamantamboss auf fast das 1,4-Millionen-fache des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe, während sie es mit einem Laser auf Temperaturen von etwa 3.726 Grad Celsius (6.740 Grad Fahrenheit) erhitzten. Dieser Vorgang wurde schrittweise durchgeführt.

Anschließend verwendeten sie Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung – Röntgenstrahlen, die durch einen Teilchenbeschleuniger abgefeuert wurden -, um das Material zu untersuchen und zu identifizieren, wo es sich befand, und führten komplementäre Raman-Spektroskopiemessungen und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie durch, um diese Identifizierung zu bestätigen.

Die Kristallstruktur des komprimierten und erhitzten Stickstoffs war etwas Neues – aber auch bekannt. Das Material, das die Forscher fanden, war strukturell nicht den Elementen der Stickstofffamilie ähnlich, sondern den Allotropen der Stickstofffamilie. Insbesondere ein Allotrop von Phosphor, genannt schwarzer Phosphor, aber auch Allotrope von Arsen und Antimon, genannt schwarzes Arsen und schwarzes Antimon.

“Wir waren überrascht und fasziniert von den Messdaten, die uns plötzlich eine für schwarzen Phosphor charakteristische Struktur verliehen”, sagte der Physiker und Chemiker Dominique Laniel von der Universität Bayreuth.

“Weitere Experimente und Berechnungen haben diesen Befund inzwischen bestätigt. Dies bedeutet, dass kein Zweifel daran besteht: Stickstoff ist in der Tat kein außergewöhnliches Element, sondern folgt der gleichen goldenen Regel des Periodensystems wie Kohlenstoff und Sauerstoff.”

Die Forscher haben daher den Namen “schwarzer Stickstoff” vorgeschlagen und glauben, dass er einige interessante mögliche Anwendungen hat. Es besteht aus zweidimensionalen Schichten, wobei die Atome in einem vernetzten Zick-Zack-Muster angeordnet sind.

Schwarzer Stickstoff scheint wie Graphen gut leitend zu sein – was bedeutet, dass er für Halbleiter, Transistoren und andere High-Tech-Anwendungen nützlich sein könnte.

Im Moment ist es jedoch zu instabil. Es kann nur unter diesen Bedingungen mit hohem Druck und hoher Hitze existieren. In dem Moment, in dem sich diese Einflüsse entspannen, löst sich schwarzer Stickstoff auf.

“Aufgrund dieser Instabilität sind industrielle Anwendungen derzeit nicht möglich”, sagte Laniel.

“Trotzdem bleibt Stickstoff ein hochinteressantes Element in der Materialforschung. Unsere Studie zeigt beispielhaft, dass hohe Drücke und Temperaturen Materialstrukturen und -eigenschaften erzeugen können, von denen Forscher bisher nicht wussten, dass sie existieren.”

Die Forschung wurde in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

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