Credito:sottofigure A, C, e D provengono da questo lavoro [C. Ji, et al., Progressi scientifici , 6, eaba9206 (2020)].La sottofigura B è tratta dal web (http://www.physics.nmsu.edu/~kanani/dac_side_crop.jpg)
Grafene, o un singolo strato di grafite, ha una serie di nuove proprietà che hanno attirato un'enorme attenzione sin dalla sua scoperta. L'azoto è il prossimo vicino al carbonio nella tavola periodica degli elementi, quindi è naturale chiedersi se l'azoto possa formare un materiale 2-D simile al grafene. Non è facile immaginare un simile strato di azoto perché l'azoto ha un elettrone in più del carbonio, superando il requisito di legame del grafene. Però, tutti gli elementi nell'azoto della barra del gruppo VA possiedono allotropi con strutture stratificate simili alla grafite ma con gli strati deformati (Figura 1A). Il fosforene è un tipico materiale 2-D derivato dagli strati a nido d'ape deformati di fosforo nero. Presenta una serie di insoliti dispositivi elettronici, meccanico, ottico, e proprietà di trasporto con un grande potenziale come materiale 2-D di prossima generazione prototipo. Trovare un azoto strutturato BP significa la sintesi di un materiale 2-D a base di azoto, o azoto, potrebbe diventare possibile.
La regola empirica per i cambiamenti strutturali ad alta pressione è che gli elementi ad alta pressione si comportano come gli elementi sottostanti nella tavola periodica a pressioni più basse. Come primo elemento del gruppo VA, l'azoto è appena sopra il fosforo. Calcoli teorici hanno previsto la formazione di azoto strutturato BP ad alta pressione. Però, è molto più difficile trasformare l'azoto in una struttura BP rispetto agli altri elementi VA perché l'azoto forma N 2 molecole con tripli legami chimici estremamente forti. Anche se l'azoto è stato studiato a pressioni superiori a un milione di atmosfere (100 GPa), L'azoto strutturato BP non è mai stato segnalato fino ad ora.
"Analogo al nero, bianco, e allotropi di fosforo rosso, che hanno energie simili e possono essere reciprocamente trasformati, l'azoto a legame singolo ad alta pressione può anche avere più polimorfi che sono molto vicini in termini di energia. Sebbene l'azoto strutturato BP non sia calcolato come l'allotropo con l'energia più bassa, pensiamo che possa essere sintetizzato come una fase metastabile in particolari condizioni di pressione-temperatura, " ha detto il dottor Huiyang Gou, un co-team leader presso il Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) di Pechino.
"La nostra simulazione di dinamica molecolare indica che l'azoto strutturato in BP diventa energeticamente più favorevole quando la temperatura aumenta, implicando la possibilità di sintetizzare azoto strutturato BP in condizioni di alta pressione e alta temperatura", ha affermato il prof. Yansun Yao, dell'Università del Saskatchewan.
Il team ha utilizzato un apparato cellulare a incudine di diamante per esercitare una formidabile pressione sull'azoto molecolare; spremere un minuscolo campione di azoto tra due punte di diamante affilate opposte (Figura 1B), e sottoponendolo a temperature molto elevate mediante riscaldamento laser ad alta potenza. Hanno esplorato un ampio intervallo di pressione da 1,2 a 1,9 milioni di volte la normale pressione atmosferica, e vide la formazione di una nuova fase di azoto a circa 1,5 milioni di volte la normale pressione atmosferica e 1, 900 gradi Celsius.
La struttura BP è stata identificata utilizzando tecniche di diffrazione dei raggi X a cristallo singolo basate su sincrotrone (XRD) (Figura 1C), Spettroscopia Raman (Figura 1D), e calcolo teorico. Il nuovo materiale presenta uno straordinario insieme di proprietà ottiche associate all'anisotropia degli strati deformati, in particolare, colossale intensità Raman rispetto ad altre fasi azotate. La ragione per l'assenza a lungo termine di azoto strutturato BP negli esperimenti ad alta pressione è spiegata anche attraverso calcoli teorici. L'azoto strutturato BP si trasforma di nuovo in N 2 gas quando si abbassa la pressione.
Sono auspicabili studi futuri per ottenere azoto strutturato BP metastabile a condizioni ambientali.
"La scoperta dell'azoto strutturato BP è una tipica vetrina che dimostra l'importanza della ricerca scientifica fondamentale in condizioni estreme, " ha aggiunto il dottor Ho-kwang Mao, direttore di HPSTAR. "Dimostrare l'esistenza di un materiale è il primo ed essenziale passo verso le applicazioni, che possono richiedere anni o addirittura decenni di continui sforzi di ricerca".
