03.06.2020 - Universität Bayreuth

Nitrógeno - ¿una excepción en el sistema periódico?

Los investigadores descubren nuevo material de alta presión y resuelven un rompecabezas de la tabla periódica

En la tabla periódica de elementos hay una regla de oro para el carbono, el oxígeno y otros elementos ligeros. Bajo altas presiones tienen estructuras similares a los elementos más pesados del mismo grupo de elementos. Sólo que el nitrógeno siempre pareció no estar dispuesto a seguir la línea. Sin embargo, los investigadores de alta presión de la Universidad de Bayreuth han refutado este estatus especial. A partir del nitrógeno, han creado una estructura cristalina que bajo condiciones normales se produce en el fósforo negro y el arsénico. La estructura contiene capas atómicas bidimensionales, y por lo tanto es de gran interés para la electrónica de alta tecnología. Los científicos han presentado este "nitrógeno negro" en "Physical Review Letters".

Nitrógeno - ¿una excepción en el sistema periódico?

Cuando se ordenan los elementos químicos en orden ascendente según su número de protones, y se observan sus propiedades, pronto se hace evidente que ciertas propiedades se repiten a grandes intervalos ("períodos"). La tabla periódica de elementos pone de manifiesto estas repeticiones. Los elementos con propiedades similares se colocan uno debajo del otro en la misma columna, y así forman un grupo de elementos. En la parte superior de una columna se encuentra el elemento que tiene menos protones y el menor peso en comparación con los demás miembros del grupo. El nitrógeno encabeza el grupo de elementos 15, pero antes se consideraba la "oveja negra" del grupo. La razón: en anteriores experimentos de alta presión, el nitrógeno no mostró estructuras similares a las que los elementos más pesados de este grupo - especialmente el fósforo, el arsénico y el antimonio - exhiben en condiciones normales. En cambio, exactamente este tipo de similitudes se pudieron observar a altas presiones en los grupos vecinos encabezados por el carbono y el oxígeno.

El nitrógeno negro - un material de alta presión con propiedades tecnológicamente atractivas

De hecho, el nitrógeno no es una excepción después de todo. Los investigadores del Instituto Bávaro de Investigación de Geofísica y Geoquímica Experimental (BGI) y del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth han podido demostrarlo con la ayuda de un método de medición que han desarrollado recientemente. Bajo el liderazgo del Dr. Dominique Laniel, han hecho un descubrimiento inusual. A presiones y temperaturas muy altas, los átomos de nitrógeno forman una estructura cristalina característica del fósforo negro, que es una variante particular del fósforo. También se encuentra en el arsénico y el antimonio. Esta estructura está compuesta por capas bidimensionales en las que los átomos de nitrógeno se entrecruzan en un patrón de zigzag uniforme. En términos de sus propiedades conductivas, estas capas bidimensionales son similares al grafeno, que se muestra muy prometedor como material para aplicaciones de alta tecnología. Por lo tanto, el fósforo negro está siendo estudiado actualmente por su potencial como material para transistores, semiconductores y otros componentes electrónicos de alta eficiencia en el futuro.

Los investigadores de Bayreuth proponen un nombre análogo para el alótropo del nitrógeno que han descubierto: nitrógeno negro. Algunas propiedades tecnológicamente atractivas, en particular su dependencia direccional (anisotropía), son aún más pronunciadas que en el fósforo negro. Sin embargo, el nitrógeno negro sólo puede existir gracias a las excepcionales condiciones de presión y temperatura en las que se produce en el laboratorio. En condiciones normales se disuelve inmediatamente. "Debido a esta inestabilidad, las aplicaciones industriales no son actualmente factibles. Sin embargo, el nitrógeno sigue siendo un elemento muy interesante en la investigación de materiales. Nuestro estudio muestra a modo de ejemplo que las altas presiones y temperaturas pueden producir estructuras y propiedades de materiales que los investigadores no sabían que existían anteriormente", dice Laniel.

Determinar la estructura con aceleradores de partículas

Se necesitaron condiciones verdaderamente extremas para producir nitrógeno negro. La presión de compresión era 1,4 millones de veces la presión de la atmósfera terrestre, y la temperatura superaba los 4.000 grados centígrados. Para averiguar cómo se organizan los átomos bajo estas condiciones, los científicos de Bayreuth cooperaron con el Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY) en Hamburgo y con la Fuente de Fotones Avanzados (APS) en el Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos. Aquí, los rayos X generados por la aceleración de partículas fueron disparados a las muestras comprimidas. "Nos sorprendió e intrigó que los datos de las mediciones nos proporcionaran de repente una estructura característica del fósforo negro. Más experimentos y cálculos han confirmado este hallazgo desde entonces. Esto significa que no hay ninguna duda: el nitrógeno no es, de hecho, un elemento excepcional, pero sigue la misma regla de oro de la tabla periódica que el carbono y el oxígeno", dice Laniel, que llegó a la Universidad de Bayreuth en 2019 como becario de investigación de la Fundación Alexander von Humboldt.

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