Netveramas “melnās” slāpekļa struktūras atklāšana beidzot atrisina ķīmijas noslēpumu

Dimanta lakta. (Christian Wißler / Baireitas Universitāte)

Kad runa ir par periodiskās tabulas gaišāko elementu novietošanu zem augsta spiediena, slāpeklis šķiet dīvains. Lai gan skābeklis, bors un ogleklis maina struktūru atbilstoši noteiktam modelim, slāpeklis nemainās, zinātnieki ir centušies atrisināt šo acīmredzamo anomāliju.

Jauns atklājums atklāj, ka slāpeklis galu galā var nebūt tik dīvains — tam vienkārši nepieciešami pareizi ekstrēma spiediena apstākļi, un tad tas atbilst, uzvedoties tāpat kā citi.

Periodiskā tabulair sakārtots augošā secībā, pamatojoties uz protonu skaitu katra elementa atomu kodolā, no kreisās puses uz labo 18 numurētās kolonnās, ko sauc arī par ģimenēm. Šīs ģimenes nav nejaušas — tās sastāv no elementiem, kuriem ir līdzīgas īpašības, kas atkārtojas intervālos.



Elementiem, kas atrodas šādas ģimenes kolonnas augšpusē, ir vismazākais protonu skaits un mazākā masa. Un tur tas kļūst interesanti.

Dažās ģimenēs, kad zem spiediena tiek radītas alternatīvas augšējā elementa fiziskās formas - allotropi, tiem ir līdzīgas struktūras īpašības kā smagākiem elementiem, kas atrodas zemāk grupā, bet normālos apstākļos nav nepieciešams pārmērīgs spiediens.

Allotropi ir aizraujoši; tās ir dažādas elementu formas, kas var pastāvēt vienā stāvoklī. Piemēram, grafīts, grafēns un dimants ir oglekļa alotropi, kas visi pastāv cietā stāvoklī. Dioksigēns un ozons ir skābekļa alotropi - tie visi ir gāzveida. Boram ir arī vairāki alotropi.

Pēc pētnieku domām, visi iepriekš minētie allotropi labi seko ģimenes modelim.

Tad ir slāpeklis. Tās ģimene satur slāpekli, fosforu, arsēnu, antimonu, bismutu un moskoviju. Iepriekšējos augstspiediena eksperimentos slāpeklim nebija nevienam no šiem elementiem līdzīgas struktūras.

Bet varbūt mēs tos vienkārši neatradām? Pētnieki no Baireitas universitātes Vācijā ir izstrādājuši jaunu metodi slāpekļa mērīšanai zem augsta spiediena.

Pirmkārt, viņi izspieda slāpekļa gāzi dimanta laktā, līdz gandrīz 1,4 miljoniem reižu pārsniedz atmosfēras spiedienu jūras līmenī, vienlaikus izmantojot lāzeru, lai to uzsildītu līdz aptuveni 3726 grādiem pēc Celsija (6740 grādiem pēc Fārenheita). Šis process tika veikts pa posmiem.

Pēc tam viņi izmantoja sinhrotronu viena kristāla rentgenstaru difrakciju - rentgenstarus, kas tika izšauts caur daļiņu paātrinātāju, lai izpētītu un identificētu materiālu, kur tas atradās, un veica papildu Ramana spektroskopijas mērījumus un blīvuma funkcionālās teorijas aprēķinus, lai apstiprinātu šo identifikāciju.

Saspiestā un uzkarsētā slāpekļa kristāliskā struktūra bija kaut kas jauns, bet arī pazīstams. Pētnieku atrastais materiāls nebija strukturāli līdzīgs slāpekļa saimes elementiem, bet gan slāpekļa ģimenes alotropiem. Jo īpaši fosfora allotrops, ko sauc par melno fosforu, kā arī arsēna un antimona allotrops, ko sauc par melno arsēnu un melno antimonu.

'Mūs pārsteidza un ieinteresēja mērījumu dati, kas pēkšņi sniedza melnajam fosforam raksturīgu struktūru.' sacīja fiziķis un ķīmiķis Dominiks Laniels no Baireitas universitātes.

'Turpmāk veiktie eksperimenti un aprēķini ir apstiprinājuši šo konstatējumu. Tas nozīmē, ka par to nav šaubu: slāpeklis patiesībā nav ārkārtējs elements, bet atbilst tam pašam periodiskās tabulas zelta likumam, ko dara ogleklis un skābeklis.

Tāpēc pētnieki ir ierosinājuši nosaukumu 'melnais slāpeklis' un uzskata, ka tam ir daži interesanti iespējamie pielietojumi. Tas sastāv no divdimensiju slāņiem, un atomi ir izkārtoti šķērssaistītā zig-zag veidā.

Tāpat kā grafēns, šķiet, ka melnais slāpeklis ir ļoti vadošs — tas nozīmē, ka tas varētu būt noderīgs pusvadītājiem, tranzistoriem un citiem augsto tehnoloģiju lietojumiem.

Tomēr šobrīd tas ir pārāk nestabils. Tas var pastāvēt tikai augsta spiediena un augsta karstuma apstākļos. Brīdī, kad šīs ietekmes atslābst, melnais slāpeklis izšķīst.

'Šīs nestabilitātes dēļ rūpnieciskie pielietojumi pašlaik nav iespējami.' Laniels teica .

'Tomēr slāpeklis joprojām ir ļoti interesants elements materiālu izpētē. Mūsu pētījums parāda piemēru, ka augsts spiediens un temperatūra var radīt materiālu struktūras un īpašības, par kurām pētnieki iepriekš nezināja.

Pētījums ir publicēts Fiziskās apskates vēstules .

Populārākas Kategorijas: Skaidrotājs , Cilvēkiem , Veselība , Neklasificēts , Dabu , Telpa , Sabiedrību , Fizika , Tech , Daba ,

Par Mums

Neatkarīgu, Pārbaudītu Faktu Publicēšana Par Veselību, Telpu, Dabu, Tehnoloģijām Un Vidi.