Na tabela periódica de elementos, há uma regra de ouro para o carbono, oxigênio e outros elementos leves:sob altas pressões, eles têm estruturas semelhantes a elementos mais pesados ​​no mesmo grupo de elementos. Mas o nitrogênio sempre pareceu não querer seguir os limites. Contudo, pesquisadores de química de alta pressão da Universidade de Bayreuth refutaram esse status especial. Sem nitrogênio, eles criaram uma estrutura cristalina que, sob condições normais, ocorre em fósforo preto e arsênico. A estrutura contém camadas atômicas bidimensionais, e é, portanto, de grande interesse para eletrônicos de alta tecnologia. Os cientistas apresentaram este "nitrogênio negro" em Cartas de revisão física .

Nitrogênio - uma exceção no sistema periódico?

Quando você organiza os elementos químicos em ordem crescente de acordo com seu número de prótons e olha suas propriedades, logo se torna óbvio que certas propriedades se repetem em grandes intervalos (períodos). A tabela periódica de elementos traz essas repetições em foco. Elementos com propriedades semelhantes são colocados um abaixo do outro na mesma coluna, e assim formar um grupo de elementos. No topo de uma coluna está o elemento que tem menos prótons e o menor peso em comparação com os outros membros do grupo. Grupo de elementos de cabeças de nitrogênio 15, mas antes era considerada a "ovelha negra" do grupo. O motivo:em experimentos anteriores de alta pressão, o nitrogênio não mostrou estruturas semelhantes às exibidas em condições normais pelos elementos mais pesados ​​deste grupo - especificamente, fósforo, arsênico e antimônio. Em vez de, tais semelhanças são observadas em altas pressões nos grupos vizinhos liderados por carbono e oxigênio.

Na verdade, o nitrogênio não é exceção à regra. Pesquisadores do Instituto de Pesquisa Geoquímica e Geofísica da Bavária (BGI) e do Laboratório de Cristalografia da Universidade de Bayreuth provaram isso com a ajuda de um método de medição que desenvolveram recentemente. Sob a liderança do Dr. Dominique Laniel, eles fizeram uma descoberta incomum. Em pressões e temperaturas muito altas, átomos de nitrogênio formam uma estrutura cristalina que é característica do fósforo preto, que é uma variante particular do fósforo. A estrutura também ocorre em arsênio e antimônio. É composto de camadas bidimensionais nas quais os átomos de nitrogênio são reticulados em um padrão de ziguezague uniforme. Em termos de suas propriedades condutoras, essas camadas 2-D são semelhantes ao grafeno, que mostra uma grande promessa como um material para aplicações de alta tecnologia. Portanto, fósforo preto está atualmente sendo estudado por seu potencial como um material para transistores altamente eficientes, semicondutores, e outros componentes eletrônicos no futuro.

Os pesquisadores de Bayreuth estão propondo um nome análogo para o alótropo de nitrogênio que descobriram:nitrogênio preto. Algumas propriedades tecnologicamente atraentes, em particular sua dependência direcional (anisotropia), são ainda mais pronunciados do que no fósforo preto. Contudo, o nitrogênio preto só pode existir em condições excepcionais de pressão e temperatura sob as quais é produzido no laboratório. Em condições normais, ele se dissolve imediatamente. "Por causa dessa instabilidade, aplicações industriais atualmente não são viáveis. No entanto, o nitrogênio continua sendo um elemento altamente interessante na pesquisa de materiais. Nosso estudo mostra, a título de exemplo, que altas pressões e temperaturas podem produzir estruturas materiais e propriedades que os pesquisadores anteriormente não sabiam que existiam, "diz Laniel.

Determinando a estrutura com aceleradores de partículas

Foram necessárias condições realmente extremas para produzir nitrogênio preto. A pressão de compressão era 1,4 milhão de vezes a pressão da atmosfera terrestre, e a temperatura excedeu 4, 000 graus Celsius. Para descobrir como os átomos se organizam nessas condições, os cientistas de Bayreuth cooperaram com o Síncrotron Eletrônico Alemão (DESY) em Hamburgo e a Fonte Avançada de Fótons (APS) no Laboratório Nacional de Argonne nos EUA. Aqui, Os raios X gerados pela aceleração de partículas foram disparados nas amostras comprimidas.

"Ficamos surpresos e intrigados com os dados de medição de repente nos fornecendo uma estrutura característica do fósforo preto. Outras experiências e cálculos confirmaram essa descoberta. Isso significa que não há dúvida sobre isso:o nitrogênio é, na verdade, não é um elemento excepcional, mas segue a mesma regra de ouro da tabela periódica que o carbono e o oxigênio fazem, "diz Laniel, que veio para a Universidade de Bayreuth em 2019 como bolsista de pesquisa da Fundação Alexander von Humboldt.