Ein Diamantamboss. (Christian Wißler/Universität Bayreuth) Wenn es darum geht, die leichteren Elemente des Periodensystems unter hohen Druck zu setzen, scheint Stickstoff das Ausnahmeprodukt zu sein. Während Sauerstoff, Bor und Kohlenstoff alle ihre Struktur nach einem bestimmten Muster ändern, ist dies bei Stickstoff nicht der Fall – eine eklatante Anomalie, die Wissenschaftler nur schwer aufklären konnten.
Ein neuer Befund zeigt, dass Stickstoff vielleicht doch gar nicht so seltsam ist – er braucht nur die richtigen extremen Druckbedingungen, und dann passt er sich an und verhält sich genau wie die anderen.
Das Periodensystem ist in aufsteigender Reihenfolge, basierend auf der Anzahl der Protonen im Atomkern jedes Elements, von links nach rechts in 18 nummerierten Spalten, auch Familien genannt, angeordnet. Diese Familien sind nicht zufällig – sie bestehen aus Elementen mit ähnlichen Eigenschaften, die über Intervalle hinweg wiederkehren.
Die Elemente an der Spitze einer solchen Familienspalte haben die geringste Protonenzahl und die geringste Masse. Und da wird es interessant.
Wenn in einigen Familien unter Druck alternative physikalische Formen – Allotrope – des obersten Elements entstehen, weisen diese ähnliche Struktureigenschaften wie schwerere Elemente weiter unten in der Gruppe auf, unter normalen Bedingungen ist jedoch kein übermäßiger Druck erforderlich.
Allotrope sind faszinierend; Es handelt sich um verschiedene Formen von Elementen, die im selben Zustand existieren können. Zum Beispiel Graphit, Graphen und Diamant sind Allotrope des Kohlenstoffs, die alle im festen Zustand vorliegen. Disauerstoff und Ozon sind Allotrope des Sauerstoffs, die alle gasförmig sind. Bor hat auch mehrere Allotrope.
Den Forschern zufolge folgen alle oben genannten Allotrope gut dem Familienmuster.
Dann gibt es Stickstoff. Zu seiner Familie gehören Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut und Moscovium. In früheren Hochdruckexperimenten zeigte Stickstoff keine ähnlichen Strukturen wie eines dieser Elemente.
Aber vielleicht haben wir sie einfach nicht gefunden? Forscher der Universität Bayreuth in Deutschland haben eine neue Methode zur Messung von Stickstoff unter hohem Druck entwickelt.
Zuerst pressten sie Stickstoffgas in einem Diamantamboss auf fast das 1,4-Millionen-fache des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe und erhitzten es dann mit einem Laser auf Temperaturen von etwa 3.726 Grad Celsius (6.740 Grad Fahrenheit). Dieser Prozess wurde stufenweise durchgeführt.
Anschließend verwendeten sie Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung – Röntgenstrahlen, die durch einen Teilchenbeschleuniger geschossen werden –, um das Material dort zu untersuchen und zu identifizieren, wo es sich befand, und führten ergänzende Raman-Spektroskopiemessungen und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie durch, um diese Identifizierung zu bestätigen.
Die kristalline Struktur des komprimierten und erhitzten Stickstoffs war etwas Neues – aber auch Bekanntes. Das von den Forschern gefundene Material ähnelte strukturell nicht den Elementen der Stickstofffamilie, sondern Allotropen der Stickstofffamilie. Insbesondere ein Allotrop von Phosphor namens schwarzer Phosphor, aber auch Allotrope von Arsen und Antimon namens schwarzes Arsen und schwarzes Antimon.
„Wir waren überrascht und fasziniert, als uns die Messdaten plötzlich eine für schwarzen Phosphor charakteristische Struktur lieferten.“ sagte der Physiker und Chemiker Dominique Laniel der Universität Bayreuth.
„Weitere Experimente und Berechnungen haben diesen Befund inzwischen bestätigt.“ Es besteht also kein Zweifel: Stickstoff ist tatsächlich kein außergewöhnliches Element, sondern folgt der gleichen goldenen Regel des Periodensystems wie Kohlenstoff und Sauerstoff.“
Die Forscher haben daher den Namen „schwarzer Stickstoff“ vorgeschlagen und glauben, dass es einige interessante potenzielle Anwendungen gibt. Es besteht aus zweidimensionalen Schichten, wobei die Atome in einem vernetzten Zick-Zack-Muster angeordnet sind.
Schwarzer Stickstoff scheint wie Graphen eine hohe Leitfähigkeit zu haben – was bedeutet, dass er für Halbleiter, Transistoren und andere High-Tech-Anwendungen nützlich sein könnte.
Im Moment ist es jedoch zu instabil. Es kann nur unter diesen Hochdruck- und Hitzebedingungen existieren. Sobald diese Einflüsse nachlassen, löst sich schwarzer Stickstoff auf.
„Aufgrund dieser Instabilität sind industrielle Anwendungen derzeit nicht realisierbar“, Sagte Laniel .
„Dennoch bleibt Stickstoff ein hochinteressantes Element in der Materialforschung.“ „Unsere Studie zeigt beispielhaft, dass hohe Drücke und Temperaturen Materialstrukturen und Eigenschaften erzeugen können, von deren Existenz Forscher bisher nichts wussten.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .