Открытие «черной» структуры азота разрешает химическую загадку этого элемента

Элементы в периодической таблице размещены в порядке возрастания, исходя из количества протонов в атомном ядре каждого элемента, слева направо по 18 пронумерованных столбцов, также известных как семейства. Эти семейства состоят из элементов, имеющих схожие свойства, повторяющиеся через определенные интервалы.

Элементы в верхней части семейного столбца имеют наименьшее количество протонов и наименьшую массу. В некоторых семействах, когда альтернативные физические формы — аллотропы — верхнего элемента создаются под давлением, они проявляют структурные свойства, аналогичные более тяжелым элементам, находящимся в группе ниже, но в нормальных условиях избыточное давление не требуется.

Аллотропы — это разные формы элементов, которые могут существовать в одном и том же состоянии. Например, графит, графен и алмаз являются аллотропами углерода, все они существуют в твердом состоянии. Диоксиген и озон являются аллотропами кислорода — все они газообразные. У бора тоже есть несколько аллотропов. А еще есть азот. Семейство, в которое он входит, содержит также фосфор, мышьяк, сурьму, висмут и московий. Интересно, что под воздействием высокого давления азот не меняет структуру, подобно остальным элементам.

В рамках исследования ученые сжимали газообразный азот в алмазной наковальне, почти в 1,4 миллиона раз превышая атмосферное давление на уровне моря, и с помощью лазера нагревали его до температуры около 3726 градусов по Цельсию. Затем они использовали рентгеновское излучение, испускаемое через ускоритель частиц, и выполнили дополнительные спектроскопические измерения комбинационного рассеяния и расчеты теории функционала плотности.

Кристаллическая структура сжатого и нагретого азота была знакома ученым, но конкретно для этого элемента она была чем-то новым. Полученный материал не был структурно похож на элементы семейства азота, он был черным аллотропом азота. Это название не редко встречается среди элементов таблицы, например, аллотроп фосфора называется черным фосфором, аллотропы мышьяка и сурьмы называются черным мышьяком и черной сурьмой.

Фото: Christian Wißler/University of Bayreuth