Graphène, ou une seule couche de graphite, possède un ensemble de propriétés nouvelles qui ont attiré une attention considérable depuis sa découverte. L'azote est le prochain voisin du carbone dans le tableau périodique des éléments, il est donc naturel de se demander si l'azote peut former un matériau 2-D similaire au graphène. Il n'est pas facile d'imaginer une telle couche d'azote car l'azote a un électron de plus que le carbone, écrasant l'exigence de liaison du graphène. Cependant, tous les éléments de l'azote de la barre du groupe VA possèdent des allotropes avec des structures en couches similaires au graphite, mais avec des couches déformées (figure 1A). Le phosphorène est un matériau 2-D typique dérivé des couches alvéolées en nid d'abeilles de phosphore noir. Il présente un certain nombre de composants électroniques inhabituels, mécanique, optique, et des propriétés de transport avec un grand potentiel en tant que matériau 2D prototype de prochaine génération. Trouver un azote structuré BP signifie la synthèse d'un matériau 2-D à base d'azote, ou de l'azote, peut devenir possible.

La règle de base pour les changements structurels à haute pression est que les éléments à haute pression se comportent comme les éléments en dessous d'eux dans le tableau périodique à des pressions inférieures. En tant que premier élément du groupe VA, l'azote est juste au-dessus du phosphore. Des calculs théoriques ont prédit la formation d'azote structuré BP à haute pression. Cependant, il est beaucoup plus difficile de transformer l'azote en une structure BP que les autres éléments VA car l'azote forme N 2 molécules avec des triples liaisons chimiques extrêmement fortes. Même si l'azote a été étudié à des pressions dépassant le million d'atmosphères (100 GPa), L'azote structuré BP n'a jamais été signalé jusqu'à présent.

" Analogue au noir, blanche, et les allotropes du phosphore rouge, qui ont des énergies similaires et peuvent se transformer mutuellement, l'azote à liaison simple à haute pression peut également avoir plusieurs polymorphes qui sont très proches en énergie. Bien que l'azote structuré BP ne soit pas calculé pour être l'allotrope avec la plus faible énergie, nous pensons qu'il peut être synthétisé comme une phase métastable à des conditions particulières de pression-température, " a déclaré le Dr Huiyang Gou, co-chef d'équipe au Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) à Pékin.

"Notre simulation de dynamique moléculaire indique que l'azote structuré BP devient énergétiquement plus favorable lorsque la température est élevée, impliquant la possibilité de synthétiser de l'azote structuré BP dans des conditions de haute pression et de haute température », a déclaré le professeur Yansun Yao, de l'Université de la Saskatchewan.

L'équipe a utilisé un appareil à enclume de diamant pour exercer une pression formidable sur l'azote moléculaire; presser un petit échantillon d'azote entre deux pointes de diamant pointues opposées (figure 1B), et en le soumettant à des températures très élevées par chauffage laser haute puissance. Ils ont exploré une large plage de pression allant de 1,2 à 1,9 million de fois la pression atmosphérique normale, et a vu la formation d'une nouvelle phase d'azote à environ 1,5 million de fois la pression atmosphérique normale et 1, 900 degrés Celsius.

La structure BP a été identifiée à l'aide de techniques de diffraction des rayons X (XRD) sur un seul cristal synchrotron (Figure 1C), Spectroscopie Raman (Figure 1D), et calcul théorique. Le nouveau matériau présente un ensemble extraordinaire de propriétés optiques associées à l'anisotropie des couches déformées, en particulier, intensité Raman colossale par rapport aux autres phases azotées. La raison de l'absence à long terme d'azote structuré BP dans les expériences à haute pression est également expliquée par des calculs théoriques. L'azote structuré BP se retransforme en N 2 gaz lorsque la pression est abaissée.

Des études futures sont souhaitables pour obtenir de l'azote métastable à structure BP dans des conditions ambiantes.

"La découverte de l'azote structuré BP est une vitrine typique démontrant l'importance de la recherche scientifique fondamentale dans des conditions extrêmes, " a ajouté le Dr Ho-kwang Mao, directeur de HPSTAR. « Prouver l'existence d'un matériau est la toute première et indispensable étape vers les applications, ce qui peut exiger des années voire des décennies d'efforts de recherche continus."