En la tabla periódica de elementos hay una regla de oro para el carbono, oxígeno y otros elementos ligeros:bajo altas presiones, tienen estructuras similares a los elementos más pesados ​​del mismo grupo de elementos. Pero el nitrógeno siempre parecía no estar dispuesto a seguir la línea. Sin embargo, Los investigadores de química de alta presión de la Universidad de Bayreuth han refutado este estatus especial. Sin nitrógeno, crearon una estructura cristalina que, bajo condiciones normales, ocurre en fósforo negro y arsénico. La estructura contiene capas atómicas bidimensionales, y, por tanto, es de gran interés para la electrónica de alta tecnología. Los científicos han presentado este "nitrógeno negro" en Cartas de revisión física .

Nitrógeno:¿una excepción en el sistema periódico?

Cuando organiza los elementos químicos en orden ascendente de acuerdo con su número de protones y observa sus propiedades, pronto se hace evidente que ciertas propiedades se repiten a grandes intervalos (períodos). La tabla periódica de elementos enfoca estas repeticiones. Los elementos con propiedades similares se colocan uno debajo del otro en la misma columna, y así formar un grupo de elementos. En la parte superior de una columna está el elemento que tiene la menor cantidad de protones y el peso más bajo en comparación con los otros miembros del grupo. Cabezas de nitrógeno grupo de elementos 15, pero anteriormente se la consideraba la "oveja negra" del grupo. La razón:en experimentos anteriores de alta presión, El nitrógeno no mostró estructuras similares a las exhibidas en condiciones normales por los elementos más pesados ​​de este grupo, específicamente, fósforo, arsénico y antimonio. En lugar de, tales similitudes se observan a altas presiones en los grupos vecinos encabezados por carbono y oxígeno.

De hecho, el nitrógeno no es una excepción a la regla. Investigadores del Instituto Bávaro de Investigación de Geoquímica y Geofísica Experimental (BGI) y del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth lo han demostrado con la ayuda de un método de medición que desarrollaron recientemente. Bajo el liderazgo del Dr. Dominique Laniel, han hecho un descubrimiento inusual. A presiones y temperaturas muy altas, Los átomos de nitrógeno forman una estructura cristalina que es característica del fósforo negro, que es una variante particular del fósforo. La estructura también se encuentra en arsénico y antimonio. Está compuesto por capas bidimensionales en las que los átomos de nitrógeno están reticulados en un patrón uniforme en zigzag. En términos de sus propiedades conductoras, estas capas bidimensionales son similares al grafeno, que se muestra muy prometedor como material para aplicaciones de alta tecnología. Por lo tanto, El fósforo negro se está estudiando actualmente por su potencial como material para transistores de alta eficiencia. semiconductores, y otros componentes electrónicos en el futuro.

Los investigadores de Bayreuth proponen un nombre análogo para el alótropo del nitrógeno que han descubierto:nitrógeno negro. Algunas propiedades tecnológicamente atractivas, en particular su dependencia direccional (anisotropía), son incluso más pronunciados que en el fósforo negro. Sin embargo, El nitrógeno negro solo puede existir en condiciones excepcionales de presión y temperatura en las que se produce en el laboratorio. Bajo condiciones normales, se disuelve inmediatamente. "Debido a esta inestabilidad, Actualmente, las aplicaciones industriales no son viables. Sin embargo, El nitrógeno sigue siendo un elemento de gran interés en la investigación de materiales. Nuestro estudio muestra a modo de ejemplo que las altas presiones y temperaturas pueden producir estructuras de materiales y propiedades que los investigadores no sabían que existían anteriormente. "dice Laniel.

Determinación de estructura con aceleradores de partículas.

Fueron necesarias condiciones verdaderamente extremas para producir nitrógeno negro. La presión de compresión fue 1,4 millones de veces la presión de la atmósfera de la Tierra, y la temperatura excedió 4, 000 grados centígrados. Para averiguar cómo se organizan los átomos en estas condiciones, los científicos de Bayreuth cooperaron con el Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY) en Hamburgo y la Fuente de Fotones Avanzados (APS) en el Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos. Aquí, Los rayos X generados por la aceleración de partículas se dispararon a las muestras comprimidas.

"Nos sorprendió e intrigó que los datos de medición nos proporcionaran repentinamente una estructura característica del fósforo negro. Desde entonces, más experimentos y cálculos han confirmado este hallazgo. Esto significa que no hay duda al respecto:el nitrógeno es, De hecho, no es un elemento excepcional, pero sigue la misma regla de oro de la tabla periódica que el carbono y el oxígeno, "dice Laniel, que llegó a la Universidad de Bayreuth en 2019 como investigador de la Fundación Alexander von Humboldt.