L'azote noir se forme lorsque l'azote est placé dans une cellule de tampon en diamant entre des diamants opposés et pressé ensemble sous des pressions extrêmement élevées. Photo :Christian Wißler.
Dans le tableau périodique des éléments, il y a une règle d'or pour le carbone, oxygène et autres éléments légers :Sous hautes pressions, ils ont des structures similaires aux éléments plus lourds dans le même groupe d'éléments. Mais l'azote semblait toujours peu disposé à suivre la ligne. Cependant, des chercheurs en chimie à haute pression de l'université de Bayreuth ont réfuté ce statut particulier. En dehors de l'azote, ils ont créé une structure cristalline qui, sous des conditions normales, se trouve dans le phosphore noir et l'arsenic. La structure contient des couches atomiques bidimensionnelles, et présente donc un grand intérêt pour l'électronique de haute technologie. Les scientifiques ont présenté cet "azote noir" dans Lettres d'examen physique .
L'azote, une exception dans le système périodique ?
Lorsque vous rangez les éléments chimiques dans l'ordre croissant selon leur nombre de protons et regardez leurs propriétés, il devient vite évident que certaines propriétés se reproduisent à de grands intervalles (périodes). Le tableau périodique des éléments met en évidence ces répétitions. Les éléments ayant des propriétés similaires sont placés les uns en dessous des autres dans la même colonne, et forment ainsi un groupe d'éléments. Au sommet d'une colonne se trouve l'élément qui a le moins de protons et le poids le plus faible par rapport aux autres membres du groupe. Têtes d'azote groupe d'éléments 15, mais était auparavant considéré comme le « mouton noir » du groupe. La raison :dans des expériences à haute pression antérieures, l'azote n'a montré aucune structure similaire à celles présentées dans des conditions normales par les éléments les plus lourds de ce groupe, en particulier, phosphore, l'arsenic et l'antimoine. Au lieu, de telles similitudes sont observées à haute pression dans les groupes voisins dirigés par le carbone et l'oxygène.
Section du tableau périodique :Azote (rouge) et le phosphore des éléments plus lourds, arsenic, l'antimoine et le bismuth (vert) appartiennent au groupe d'éléments 15. Sous des pressions extrêmement élevées, azote, comme ces autres membres du groupe, a une structure constituée de couches bidimensionnelles en forme de zigzag. A gauche et à droite se trouvent les groupes 14 et 16, dirigé par le carbone et l'oxygène. Crédit :Dominique Laniel.
En réalité, l'azote n'échappe pas à la règle. Des chercheurs de l'Institut de recherche bavarois en géochimie et géophysique expérimentales (BGI) et du Laboratoire de cristallographie de l'Université de Bayreuth l'ont maintenant prouvé à l'aide d'une méthode de mesure qu'ils ont récemment développée. Sous la direction du Dr Dominique Laniel, ils ont fait une découverte inhabituelle. A des pressions et températures très élevées, les atomes d'azote forment une structure cristalline caractéristique du phosphore noir, qui est une variante particulière du phosphore. La structure est également présente dans l'arsenic et l'antimoine. Il est composé de couches bidimensionnelles dans lesquelles les atomes d'azote sont réticulés selon un motif en zigzag uniforme. En ce qui concerne leurs propriétés conductrices, ces couches 2-D sont similaires au graphène, qui est très prometteur en tant que matériau pour les applications de haute technologie. Par conséquent, le phosphore noir est actuellement à l'étude pour son potentiel en tant que matériau pour des transistors à haut rendement, semi-conducteurs, et d'autres composants électroniques à l'avenir.
Les chercheurs de Bayreuth proposent un nom analogue pour l'allotrope de l'azote qu'ils ont découvert :l'azote noir. Quelques propriétés technologiquement attractives, en particulier sa dépendance directionnelle (anisotropie), sont encore plus prononcés que dans le phosphore noir. Cependant, l'azote noir ne peut exister que dans les conditions exceptionnelles de pression et de température dans lesquelles il est produit en laboratoire. Sous des conditions normales, il se dissout immédiatement. « En raison de cette instabilité, les applications industrielles ne sont actuellement pas envisageables. Néanmoins, l'azote reste un élément très intéressant dans la recherche sur les matériaux. Notre étude montre à titre d'exemple que des pressions et des températures élevées peuvent produire des structures et des propriétés matérielles dont les chercheurs ignoraient auparavant l'existence, " dit Laniel.
Détermination de la structure avec les accélérateurs de particules
Il a fallu des conditions vraiment extrêmes pour produire de l'azote noir. La pression de compression était de 1,4 million de fois la pression de l'atmosphère terrestre, et la température a dépassé 4, 000 degrés Celsius. Pour savoir comment les atomes s'arrangent dans ces conditions, les scientifiques de Bayreuth ont coopéré avec le German Electron Synchrotron (DESY) à Hambourg et la Advanced Photon Source (APS) du Argonne National Laboratory aux États-Unis. Ici, Les rayons X générés par l'accélération des particules ont été tirés sur les échantillons comprimés.
« Nous avons été surpris et intrigués par les données de mesure nous fournissant soudainement une structure caractéristique du phosphore noir. D'autres expériences et calculs ont depuis confirmé cette découverte. Cela signifie qu'il n'y a aucun doute à ce sujet :l'azote est, En réalité, pas un élément exceptionnel, mais suit la même règle d'or du tableau périodique que le carbone et l'oxygène, " dit Laniel, qui est arrivé à l'Université de Bayreuth en 2019 en tant que chercheur de la Fondation Alexander von Humboldt.
