Nella tavola periodica degli elementi c'è una regola d'oro per il carbonio, ossigeno e altri elementi leggeri:sotto alte pressioni, hanno strutture simili agli elementi più pesanti nello stesso gruppo di elementi. Ma l'azoto sembrava sempre riluttante a rispettare la linea. Però, ricercatori di chimica ad alta pressione dell'Università di Bayreuth hanno smentito questo status speciale. Fuori di azoto, crearono una struttura cristallina che, in condizioni normali, si trova nel fosforo nero e nell'arsenico. La struttura contiene strati atomici bidimensionali, ed è quindi di grande interesse per l'elettronica ad alta tecnologia. Gli scienziati hanno presentato questo "azoto nero" in Lettere di revisione fisica .

Azoto:un'eccezione nel sistema periodico?

Quando disponi gli elementi chimici in ordine crescente in base al loro numero di protoni e osservi le loro proprietà, diventa presto ovvio che certe proprietà ricorrono a grandi intervalli (periodi). La tavola periodica degli elementi mette a fuoco queste ripetizioni. Gli elementi con proprietà simili vengono posizionati uno sotto l'altro nella stessa colonna, e quindi formare un insieme di elementi. Nella parte superiore di una colonna c'è l'elemento che ha il minor numero di protoni e il peso più basso rispetto agli altri membri del gruppo. Teste di azoto gruppo elemento 15, ma in precedenza era considerata la "pecora nera" del gruppo. Il motivo:in precedenti esperimenti ad alta pressione, l'azoto non ha mostrato strutture simili a quelle esibite in condizioni normali dagli elementi più pesanti di questo gruppo, in particolare, fosforo, arsenico e antimonio. Anziché, tali somiglianze si osservano ad alte pressioni nei gruppi vicini capeggiati da carbonio e ossigeno.

Infatti, l'azoto non fa eccezione alla regola. I ricercatori dell'Istituto di ricerca bavarese di geochimica e geofisica sperimentale (BGI) e del Laboratorio di cristallografia dell'Università di Bayreuth lo hanno ora dimostrato con l'aiuto di un metodo di misurazione sviluppato di recente. Sotto la guida del Dott. Dominique Laniel, hanno fatto una scoperta insolita. A pressioni e temperature molto elevate, gli atomi di azoto formano una struttura cristallina caratteristica del fosforo nero, che è una particolare variante del fosforo. La struttura si trova anche in arsenico e antimonio. È composto da strati bidimensionali in cui gli atomi di azoto sono reticolati secondo uno schema uniforme a zigzag. In termini di proprietà conduttive, questi strati 2-D sono simili al grafene, che mostra grandi promesse come materiale per applicazioni high-tech. Perciò, il fosforo nero è attualmente allo studio per il suo potenziale come materiale per transistor ad alta efficienza, semiconduttori, e altri componenti elettronici in futuro.

I ricercatori di Bayreuth propongono un nome analogo per l'allotropo dell'azoto che hanno scoperto:azoto nero. Alcune proprietà tecnologicamente attraenti, in particolare la sua dipendenza direzionale (anisotropia), sono ancora più pronunciati che nel fosforo nero. Però, l'azoto nero può esistere solo a condizioni di pressione e temperatura eccezionali in cui viene prodotto in laboratorio. In condizioni normali, si dissolve immediatamente. "A causa di questa instabilità, le applicazioni industriali non sono attualmente realizzabili. Tuttavia, l'azoto rimane un elemento di grande interesse nella ricerca sui materiali. Il nostro studio mostra a titolo di esempio che alte pressioni e temperature possono produrre strutture e proprietà dei materiali che i ricercatori in precedenza non sapevano esistessero, "dice Laniele.

Determinazione della struttura con acceleratori di particelle

Ci sono volute condizioni davvero estreme per produrre azoto nero. La pressione di compressione era 1,4 milioni di volte la pressione dell'atmosfera terrestre, e la temperatura ha superato 4, 000 gradi Celsius. Per scoprire come gli atomi si dispongono in queste condizioni, gli scienziati di Bayreuth hanno collaborato con il German Electron Synchrotron (DESY) ad Amburgo e l'Advanced Photon Source (APS) presso l'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti. Qui, I raggi X generati dall'accelerazione delle particelle sono stati sparati sui campioni compressi.

"Siamo rimasti sorpresi e incuriositi dai dati di misurazione che ci hanno improvvisamente fornito una struttura caratteristica del fosforo nero. Ulteriori esperimenti e calcoli da allora hanno confermato questa scoperta. Ciò significa che non ci sono dubbi:l'azoto è, infatti, non un elemento eccezionale, ma segue la stessa regola d'oro della tavola periodica del carbonio e dell'ossigeno, "dice Laniel, che è venuto all'Università di Bayreuth nel 2019 come ricercatore della Fondazione Alexander von Humboldt.