اكتشاف بنية النيتروجين 'السوداء' المراوغة يحل أخيرًا اللغز الكيميائي

سندان ماسي. (كريستيان ويسلر / جامعة بايرويت)

عندما يتعلق الأمر بوضع العناصر الأخف في الجدول الدوري تحت ضغط مرتفع ، يبدو أن النيتروجين هو العنصر الغريب. في حين أن الأكسجين والبورون والكربون يغيرون الهيكل وفقًا لنمط معين ، فإن النيتروجين لا يفعل ذلك ، وهو شذوذ صارخ كافح العلماء لحلّه.

يكشف اكتشاف جديد أن النيتروجين قد لا يكون غريبًا بعد كل شيء - فهو يحتاج فقط إلى ظروف الضغط الشديد المناسبة ، وبعد ذلك يقع في الخط ، ويتصرف تمامًا مثل الآخرين.

الجدول الدورييتم ترتيبها بترتيب تصاعدي ، بناءً على عدد البروتونات في النواة الذرية لكل عنصر ، من اليسار إلى اليمين عبر 18 عمودًا مرقّمًا ، تُعرف أيضًا باسم العائلات. هذه العائلات ليست عشوائية - إنها تتكون من عناصر لها خصائص متشابهة ، وتتكرر عبر فترات.

العناصر الموجودة في الجزء العلوي من عمود العائلة تحتوي على أقل عدد من البروتونات وأقل كتلة. وهذا هو المكان الذي يصبح فيه الأمر ممتعًا.

في بعض العائلات ، عندما يتم إنشاء أشكال فيزيائية بديلة - متآصلات - للعنصر العلوي تحت الضغط ، فإنها تظهر خصائص هيكلية مماثلة للعناصر الأثقل في أسفل المجموعة ، ولكن في ظل الظروف العادية ، لا حاجة إلى ضغط مفرط.

Allotropes رائعة. إنها أشكال مختلفة من العناصر يمكن أن توجد في نفس الحالة. على سبيل المثال ، الجرافيت ، الجرافين والماس عبارة عن تآصل للكربون ، وكلها موجودة في الحالة الصلبة. ديوكسجين و الأوزون هي مقويات للأكسجين - وكلها غازية. يحتوي البورون على العديد من المتآصلات أيضًا.

وفقًا للباحثين ، فإن جميع المتآصلات المذكورة أعلاه تتبع نمط الأسرة بشكل جيد.

ثم هناك النيتروجين. تحتوي عائلتها على النيتروجين والفوسفور والزرنيخ والأنتيمون والبزموت والموسكوفيوم. في تجارب الضغط العالي السابقة ، لم يظهر النيتروجين أي هياكل مشابهة لأي من تلك العناصر.

لكن ربما لم نعثر عليهم؟ طور باحثون في جامعة بايرويت في ألمانيا طريقة جديدة لقياس النيتروجين تحت ضغط مرتفع.

أولاً ، ضغطوا غاز النيتروجين في سندان ماسي ، إلى ما يقرب من 1.4 مليون ضعف الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر ، بينما استخدموا الليزر لتسخينه إلى درجات حرارة تبلغ حوالي 3726 درجة مئوية (6740 درجة فهرنهايت). تم تنفيذ هذه العملية على مراحل.

بعد ذلك ، استخدموا حيود الأشعة السينية أحادي البلورة السنكروترون - الأشعة السينية التي يتم إطلاقها من خلال مسرع الجسيمات - لدراسة وتحديد المادة حيث كانت ، وأجروا قياسات مطيافية رامان التكميلية وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية لتأكيد هذا التحديد.

كان التركيب البلوري للنيتروجين المضغوط والمسخن شيئًا جديدًا - ولكنه مألوف أيضًا. المواد التي وجدها الباحثون لم تكن مشابهة من الناحية الهيكلية لعناصر عائلة النيتروجين ، ولكن خواص عائلة النيتروجين. على وجه الخصوص ، يسمى تآصل الفوسفور الفوسفور الأسود ، ولكن أيضًا متآصل من الزرنيخ والأنتيمون يسمى الزرنيخ الأسود والأنتيمون الأسود.

'لقد فوجئنا وذهولنا ببيانات القياس التي وفرت لنا فجأة بنية مميزة للفوسفور الأسود ،' قال الفيزيائي والكيميائي دومينيك لانييل من جامعة بايرويت.

ومنذ ذلك الحين أكدت التجارب والحسابات الإضافية هذه النتيجة. هذا يعني أنه لا يوجد شك في ذلك: النيتروجين ، في الواقع ، ليس عنصرًا استثنائيًا ، ولكنه يتبع نفس القاعدة الذهبية للجدول الدوري مثل الكربون والأكسجين.

لذلك اقترح الباحثون اسم 'النيتروجين الأسود' ، ويعتقدون أن له بعض التطبيقات المحتملة المثيرة للاهتمام. يتكون من طبقات ثنائية الأبعاد ، مع وضع الذرات في نمط متعرج متقاطع.

مثل الجرافين ، يبدو النيتروجين الأسود عالي التوصيل - مما يعني أنه قد يكون مفيدًا لأشباه الموصلات ، والترانزستورات ، وغيرها من التطبيقات عالية التقنية.

في الوقت الحالي ، على الرغم من ذلك ، فهو غير مستقر للغاية. يمكن أن توجد فقط في ظروف الضغط العالي والحرارة العالية. في اللحظة التي تسترخي فيها تلك التأثيرات ، يذوب النيتروجين الأسود.

'بسبب عدم الاستقرار هذا ، التطبيقات الصناعية غير مجدية حاليًا' قال لانييل .

ومع ذلك ، يظل النيتروجين عنصرًا مثيرًا للاهتمام للغاية في أبحاث المواد. تُظهر دراستنا على سبيل المثال أن الضغوط المرتفعة ودرجات الحرارة يمكن أن تنتج هياكل وخصائص مادية لم يعرف الباحثون من قبل بوجودها.

تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.