ЛЕНТА

Азоту придали кристаллическую структуру черного фосфора

Структура полимерной модификации азота bp-N.

Dominique Laniel et al. / Physical Review Letters, 2020

Команда исследователей из трех стран смогла впервые получить полимерную модификацию азота, похожую на структуру черного фосфора. Для этого исследователям пришлось создать давление в 1,38 миллиона атмосфер. Открытие поможет создать новые материалы с высокой плотностью энергии на основе азота. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Один химический элемент может образовывать несколько различных соединений — аллотропных модификаций. Углерод, например, имеет более девяти подтвержденных аллотропов и более 200 гипотетических. У соседнего элемента периодической системы — азота — не так много аллотропов. Сегодня исследователи насчитывают около 15 твердых модификаций азота, отличающихся строением кристаллической решетки. Среди них есть и три полимерные модификации: cg-N, LP-N и HLP-N.

В этих полимерах атомы азота связаны в структуре одинарными связями, и она примерно в шесть раз слабее тройной, которую можно наблюдать в молекуле атмосферного азота N2. Настолько большая разница означает, что аллотропы азота с одинарной связью можно использовать в качестве материалов с высокой плотностью энергии. Это возможно благодаря тому, что при возвращении к стандартным температуре и давлению эти модификации будут распадаться на молекулярный азот, выделяя в окружающую среду всю энергию, которую пришлось потрать на их образование. Она же, согласно законам термодинамики, равна разности энергий тройной и одинарной связи.

Команда химиков из Великобритании, Германии и США под руководством Доминика Ланиэля из Байройтского университета нашла новую модификацию твердого азота. Материал, получивший имя bp-N (black phosphorus-N), имеет полимерную структуру черного фосфора. Как и первые три аллотропные модификации твердого азота, bp-N образуется при высокой температуре, примерно 4000 кельвин, и давлении в 140 гигапаскалей — 1,4 миллиона атмосфер.

Чтобы синтезировать новый тип твердого азота, исследователи использовали алмазную наковальню. Для начала они просверлили лазером полость для образца в ультратонкой рениевой фольге. Затем фольгу поместили между двумя алмазами и закачали в камеру чистый газообразный азот при давлении около 1200 атмосфер. После этого образец сжимали до 1,22 миллиона атмосфер и нагревали до 2600 кельвин. Используя метод рентгеновской дифракции, ученые обнаружили у вещества несколько сигналов, не соответствующих ни одной из известных форм азота. Кроме того, исследователи заметили изменение цвета материала с черного на прозрачный.

Интервалы давлений, при которых существуют аллотропные модификации различных пниктогенов.

Dominique Laniel et al. / Physical Review Letters, 2020

Поделиться

После этого химики решили увеличить давление до 1,38 миллиона атмосфер, а температуру до 4000 кельвин, чтобы посмотреть, как при этом изменится структура материала. Оказалось, что при увеличении давления и температуры некоторые дифракционные сигналы, характерные для новой фазы, стали видны более отчетливо. После этого, используя спектроскопию комбинационного рассеяния и теорию функционала плотности, исследователи выяснили структуру нового материала. Оказалось, что он состоит из полимерных слоев, образованных зигзагообразными молекулами. Анализ спектра показал, что модификация LP-N (слоистый полимерный азот) представляет собой bp-N.

Теперь авторы работы планируют исследовать электронные, оптические и термодинамические свойства новой модификации твердого азота. bp-N, по мнению ученых, может стать основой для нового вида материалов с высокой плотностью энергии, например, топливных смесей. Также дальнейшее исследование этого материала помогут выяснить и то, как ведут себя такие газы, как азот, при давлениях, характерных для недр газовых гигантов.

Одну из модификаций азота — HLP-N — ученые получили в прошлом году. Исследователи создали давление в 2,44 миллиона атмосфер и температуру в 3300 кельвин. Однако теория предсказывала формирование при таких условиях другого соединения. Тогда авторы предположили, что дело в неучтенных эффектах, таких как обменное взаимодействие.

Никита Шевцевисточник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»
Do NOT follow this link or you will be banned from the site!
Установите приложение MEGANEWS на Google Play
УСТАНОВИТЬ
Закрыть
Закрыть

Обнаружен Adblock

Поддержите нас, пожалуйста, отключив блокировку рекламы.