Исследователи обнаружили новый высокого давления материал и решить Менделеева головоломки

В периодической таблице элементов есть одно золотое правило для углерода, кислорода и других легких элементов. Под высоким давлением они имеют сходную структуру для более тяжелых элементов той же группы элементов. Только азот всегда казалось, что не желает ходить по струнке. Однако, исследователи высокого давления из Университета Байройт фактически опроверг этот особый статус. Из азота, они создали кристаллическую структуру, которая при нормальных условиях происходит в черный фосфор и мышьяк. Структура содержит двумерных атомных слоев, и поэтому представляет большой интерес для высокотехнологичной электроники. Ученые представили этот «черный азот» в «письма в ЖЭТФ».

Азот — исключение в периодической системе?

Когда вы расположите химические элементы в порядке возрастания их число протонов, и посмотреть на их свойства, то вскоре становится очевидным, что определенные свойства повторяться с большими интервалами («периоды»). Периодическая таблица элементов приносит эти повторы в фокус. Элементы со сходными свойствами располагаются одна под другой в той же колонке, и таким образом формируют группы элементов. В верхней части колонны-элемент, который имеет наименьшее количество протонов и наименьший вес по сравнению с другими членами группы. Руководители азот элемент группы 15, но раньше считался «черной овцой» группы. Причина: в начале высокого давления эксперименты, азота показали, нет структур, подобных тем тяжелее элементы этой группы, особенно фосфора, мышьяка и сурьмы — экспонат в нормальных условиях. Вместо этого, точно такое сходство можно наблюдать при высоких давлениях в соседних групп, возглавляемых углерода и кислорода.

Черный азот — высокого давления материал с технологически привлекательные свойства

На самом деле, азот не является исключением в конце концов. Ученые из баварского научно-исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики (БГИ) и Лабораторией кристаллографии в Университете Байройта уже смогли доказать это с помощью метода измерения они недавно разработали. Под руководством доктора Доминика Laniel, они сделали необычное открытие. При очень высоких давлениях и температурах, атомы азота образуют кристаллическую структуру, что характерно для черного фосфора, который представляет собой особый вариант фосфора. Это также происходит в мышьяк и сурьма. Эта структура состоит из двумерных слоев, в которых атомы азота оказываются связанными в единый узор зигзаг. С точки зрения их проводящие свойства, эти 2D слои похожи на графен, который показывает большие перспективы в качестве материала для высокотехнологичных применений. Таким образом, в настоящее время черный фосфор изучается его потенциал в качестве материала для высокоэффективных транзисторов, полупроводников и других электронных компонентов в будущем.

Исследователи Байройт предлагают аналогичное название аллотропная модификация азота они обнаружили: черный азот. Некоторые технологически привлекательными свойствами, в частности ее зависимость направления (анизотропия), даже более выраженным, чем в черный фосфор. Однако, черный азот может существовать только благодаря исключительной давления и температурных условий, при которых его производят в лаборатории. При нормальных условиях растворяется сразу. «Из-за этой нестабильности, промышленного применения в настоящее время не представляется возможным. Тем не менее, азот остается весьма интересным элементом в научно-исследовательских материалов. Наше исследование показывает, что высоких давлениях и температурах может производить материальные структуры и свойств, которые исследователи раньше не подозревали», — говорит Laniel.

Определение структуры с помощью ускорителей частиц

Потребовалось поистине экстремальные условия для получения черного азота. Давление сжатия составляло 1,4 миллиона раз выше давления земной атмосферы, а температура превышала 4000 градусов по Цельсию. Чтобы узнать, как атомы выстраиваются в этих условиях Байройт ученые сотрудничали с немецкого электронного синхротрона (исследовательским центром DESY) в Гамбурге и расширенным источник фотона (APS) в Аргоннской национальной лаборатории в США. Здесь, рентгеновские лучи, генерируемые ускорения частиц были выпущены в сжатые образцы. «Мы были удивлены и заинтригованы данных измерений вдруг предоставив нам структуры, характерной для черного фосфора. Дальнейшие эксперименты и расчеты подтвердили этот вывод. Это означает, что нет сомнений в том, что азот является, по сути, не является исключительным элементом, но следует той же золотое правило периодической таблицы, как углерод и кислород», — говорит Laniel, которые пришли в университет Байройта в 2019 году, как Александра фон Гумбольдта научный сотрудник.

сделать разницу: спонсорские возможности