Grafeno o una sola capa de grafito, tiene un conjunto de propiedades novedosas que han atraído una enorme atención desde su descubrimiento. El nitrógeno es el vecino próximo al carbono en la tabla periódica de elementos, por lo que es natural preguntarse si el nitrógeno puede formar un material bidimensional similar al grafeno. No es fácil imaginar una capa de nitrógeno así porque el nitrógeno tiene un electrón más que el carbono, abrumador el requisito de unión del grafeno. Sin embargo, todos los elementos en el nitrógeno de la barra del grupo VA poseen alótropos con estructuras en capas similares al grafito pero con las capas pandeadas (Figura 1A). El fosforeno es un material 2-D típico derivado de las capas de nido de abeja pandeadas de fósforo negro. Exhibe una serie de componentes electrónicos inusuales, mecánico, óptico, y propiedades de transporte con gran potencial como material prototípico 2-D de próxima generación. Encontrar un nitrógeno con estructura de BP significa la síntesis de un material 2-D a base de nitrógeno, o nitrógeno, puede ser posible.

La regla general para los cambios estructurales a alta presión es que los elementos a alta presión se comportan como los elementos debajo de ellos en la tabla periódica a presiones más bajas. Como primer elemento del grupo VA, el nitrógeno está justo por encima del fósforo. Los cálculos teóricos han predicho la formación de nitrógeno con estructura de BP a alta presión. Sin embargo, Es mucho más desafiante transformar el nitrógeno en una estructura BP que los otros elementos VA porque el nitrógeno forma N ₂ moléculas con enlaces químicos triples extremadamente fuertes. Aunque se ha estudiado el nitrógeno a presiones superiores a un millón de atmósferas (100 GPa), El nitrógeno con estructura de BP nunca se ha informado hasta ahora.

"Análogo al negro, blanco, y alótropos de fósforo rojo, que tienen energías similares y pueden transformarse mutuamente, El nitrógeno de un solo enlace a alta presión también puede tener múltiples polimorfos que tienen una energía muy cercana. Aunque no se calcula que el nitrógeno con estructura de BP sea el alótropo con la energía más baja, creemos que puede sintetizarse como una fase metaestable en condiciones particulares de presión-temperatura, "dijo el Dr. Huiyang Gou, co-líder de equipo en el Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR) en Beijing.

"Nuestra simulación de dinámica molecular indica que el nitrógeno con estructura de BP se vuelve energéticamente más favorable cuando se eleva la temperatura, lo que implica la posibilidad de sintetizar nitrógeno con estructura de BP en condiciones de alta presión y alta temperatura ", dijo el profesor Yansun Yao, de la Universidad de Saskatchewan.

El equipo utilizó un aparato de celda de yunque de diamante para ejercer una presión formidable sobre el nitrógeno molecular; exprimir una pequeña muestra de nitrógeno entre dos puntas de diamante afiladas opuestas (Figura 1B), y sometiéndolo a temperaturas muy altas mediante calentamiento por láser de alta potencia. Exploraron un amplio rango de presión de 1,2 a 1,9 millones de veces la presión atmosférica normal, y vio la formación de una nueva fase de nitrógeno a aproximadamente 1,5 millones de veces la presión atmosférica normal y 1, 900 grados centígrados.

La estructura de BP se identificó utilizando técnicas de difracción de rayos X de cristal único (XRD) basadas en sincrotrón (Figura 1C), Espectroscopia Raman (Figura 1D), y cálculo teórico. El nuevo material exhibe un extraordinario conjunto de propiedades ópticas asociadas con la anisotropía de las capas pandeadas, en particular, colosal intensidad Raman en comparación con otras fases de nitrógeno. La razón de la ausencia a largo plazo de nitrógeno con estructura de BP en experimentos de alta presión también se explica a través de cálculos teóricos. El nitrógeno con estructura de BP se transforma de nuevo en N ₂ gas cuando se baja la presión.

Es conveniente realizar estudios futuros para obtener nitrógeno estructurado con BP metaestable en condiciones ambientales.

"El descubrimiento del nitrógeno con estructura de BP es un escaparate típico que demuestra la importancia de la investigación científica fundamental en condiciones extremas, "añadió el Dr. Ho-kwang Mao, director de HPSTAR. "Probar la existencia de un material es el primer y esencial paso hacia las aplicaciones, lo que puede exigir años o incluso décadas de continuos esfuerzos de investigación ".