Hochdruckchemie-Forscher widerlegten eine goldene Regel fundamentaler Elemente und schufen eine kristalline Struktur aus Stickstoff mit zweidimensionalen Atomschichten – was ein großes Potenzial für Hightech-Elektronik auf eine Weise zeigt, die Graphen ähneln könnte.das neue Material wurde in einer Studie erklärt veröffentlicht im Tagebuch Physical Review Letters.
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Die goldene Regel mit 'schwarzem Stickstoff' brechen
Unter hohem Druck folgen Kohlenstoff, Sauerstoff und andere leichte Elemente einer goldenen Regel: Sie haben ähnliche Strukturen wie schwerere Elemente in derselben Elementgruppe.
Allerdings war Stickstoff immer das schwarze Schaf unter der goldenen Regel.
Wenn chemische Elemente nach der Protonenzahl aufsteigend angeordnet sind, wiederholen sich ihre Eigenschaften in großen Abständen Perioden. Die Periodensystem ordnet diese Perioden visueller an.
Elemente mit ähnlichen Eigenschaften werden in derselben Spalte untereinander platziert und bilden eine Gruppe von Elementen. An der Spitze jeder Spalte befindet sich ein Element mit den wenigsten Protonen und dem niedrigsten Gewicht in seiner Gruppe. Stickstoff spielt diese Rolle für Gruppe 15, aber der Grund, warum es das "schwarze Schaf" war, lag an seinem Verhalten unter hohem Druck.
In früheren Hochdruckexperimenten zeigte Stickstoff keine ähnliche Struktur wie andere schwerere Elemente in seiner Gruppe unter normalen Bedingungen. Nämlich Phosphor, Antimon und Arsen.
Stattdessen sah die Struktur des Stickstoffs unter hohem Druck eher aus wie in den leichtesten Elementen benachbarter Gruppen: Kohlenstoff und Sauerstoff.
Stickstoff ist nicht die Ausnahme von der Periodensystemregel
Es scheint also nicht Stickstoff zu seinAusnahme von der Regel immerhin. Das haben Forscher des Labors für Kristallographie der Universität Bayreuth und des Bayerischen Forschungsinstituts für Experimentelle Geochemie & Geophysik BGI mit einem neu entwickelten Messverfahren nachgewiesen.
Dominique Laniel leitete die Studie, die eine unerwartete Entdeckung machte. Bei hohen Drücken und Temperaturen verschmelzen Stickstoffatome zu einer kristallinen Struktur, die schwarzem Phosphor ähnelt – einer spezifischen Variante von Phosphor. Diese Struktur kommt auch in Arsen und Antimon vor. Bestehend aus zweidimensionalenSchichten aus vernetzten, zickzackförmigen Stickstoffatomen, diese 2D-Schichten ähneln Graphen — ein kürzlich entdecktes Material mit großem Potenzial für High-Tech-Anwendungen.
Deshalb wird schwarzer Phosphor jetzt intensiv auf seine mögliche Verwendung als hocheffizienter Transistor, Halbleiter oder andere zukünftige elektronische Komponenten untersucht.
Bayreuther Forscher haben daher einen analogen Namen für das Allotrop von Stickstoff vorgeschlagen, auf das sie gestoßen sind: schwarzer Stickstoff.
Die schlechte Nachricht ist, dass schwarzer Stickstoff nur bei den extremen Temperaturen und Drücken existieren kann, die in einem Labor erzeugt werden. Unter normalen Bedingungen löst er sich sofort auf. „Aufgrund dieser Instabilität sind industrielle Anwendungen derzeit nicht machbar. Trotzdem bleibt Stickstoff ein hochinteressantes Element der Materialforschung. Unsere Studie zeigt exemplarisch, dass hohe Drücke und Temperaturen Materialstrukturen und Eigenschaften erzeugen können, von denen Forscher bisher nichts wussten“, sagt Laniel.
'Schwarzer Stickstoff'-Struktur durch Teilchenbeschleuniger enthüllt
Um schwarzen Stickstoff herzustellen, mussten Wissenschaftler – und das können wir nicht genug betonen – extreme Bedingungen schaffen. Der Kompressionsdruck erreichte das 1,4 Millionenfache einer Erdatmosphäre was wir auf Meereshöhe fühlen und die Temperatur stieg auf über 4.000 Grad CelsiusDie Bayreuther Wissenschaftler haben gemeinsam mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg und dem US-amerikanischen Advanced Photon APS am Argonne National Laboratory untersucht, wie sich Atome unter diesen wilden Bedingungen verhalten.
"Wir waren überrascht und fasziniert von den Messdaten, die uns plötzlich eine für schwarzen Phosphor charakteristische Struktur liefern. Weitere Experimente und Berechnungen haben diesen Befund inzwischen bestätigt. Somit besteht kein Zweifel: Stickstoff ist eigentlich keinaußergewöhnliches Element, folgt aber der gleichen goldenen Regel des Periodensystems wie Kohlenstoff und Sauerstoff", sagte Laniel.