Se han descubierto compuestos de nitrógeno con estructuras sorprendentes
Valiosos puntos de partida para el diseño y la síntesis de nuevos materiales de alta tecnología
Los nitruros son compuestos de nitrógeno con propiedades tecnológicamente muy atractivas. Por lo tanto, tienen el potencial de una amplia aplicación en la microelectrónica, la optoelectrónica y como materiales cerámicos. Los investigadores de la Universidad de Bayreuth han descubierto ahora nitruros inusuales en experimentos de alta presión. Los átomos de nitrógeno y de metal se combinan bajo presiones muy altas para formar estructuras cristalinas porosas con canales en los que se incrustan las moléculas de nitrógeno. Los hallazgos publicados en la revista "Angewandte Chemie International Edition" ofrecen valiosos puntos de partida para el diseño y la síntesis de nuevos materiales de alta tecnología.
Estructuras metálicas inorgánicas de marco: Os₅N₂₈, Hf₄N₂₀ y WN₈ con los metales de transición osmio, hafnio y tungsteno (de izquierda a derecha). Los átomos de nitrógeno son azules, los átomos metálicos amarillos, y las moléculas de nitrógeno en los intersticios son rojas.
Maxim Bykov
Contra-intuitivo: la alta presión crea cavidades
Es una experiencia cotidiana: cuanto más fuerte es la presión que se ejerce sobre un objeto desde todos los lados, más se comprime. El volumen disminuye, los espacios huecos en el interior desaparecen. Sin embargo, es precisamente esta experiencia la que contradicen los nuevos experimentos de alta presión de la Universidad de Bayreuth. A una presión de compresión de alrededor de un millón de atmósferas, como la que existe a unos 2.500 kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra, se forman estructuras porosas a partir de átomos de nitrógeno y de átomos de un metal. Aquí, los átomos de nitrógeno construyen cadenas en zigzag, por ejemplo. Las moléculas de nitrógeno (N₂) penetran en las cavidades de los nuevos cristales. Los metales utilizados en los experimentos fueron hafnio (Hf), tungsteno (W) y osmio (Os). Estos pertenecen al grupo de los metales de transición debido a su posición en la tabla periódica de elementos.
La alta presión hace que el nitrógeno se adhiera
Bajo las presiones y temperaturas normales con las que estamos familiarizados en la Tierra, las moléculas de nitrógeno son muy poco propensas a reaccionar con elementos y compuestos. "Por lo tanto, es fascinante observar cómo cambia radicalmente el comportamiento de unión del nitrógeno bajo alta presión. Se forman estructuras complejas que contienen diferentes tipos de enlaces químicos. En cualquier caso, estas estructuras son porosas, lo cual es muy inusual si se considera, por ejemplo, cómo el grafito en capas se transforma en diamante compacto y muy duro bajo alta presión", explica la Prof. Dra. Natalia Dubrovinskaia del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth, que participó significativamente en el nuevo estudio.
El aspecto de la compleja estructura de la estructura que se crea en cada caso individual depende crucialmente de la elección del metal de transición. En principio, esto significa que la síntesis de los nitruros puede ser controlada de manera dirigida, al menos bajo las altas presiones que pueden producirse en el laboratorio.
"En vista de la creciente importancia tecnológica de los nitruros, por ejemplo para la electrónica y el almacenamiento de energía, nuestro nuevo estudio ofrece numerosas perspectivas para el desarrollo de nuevos materiales de alta tecnología", dice el Dr. Maxim Bykov, primer autor del estudio, que se doctoró en el Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth y trabajó hasta 2019 como postdoc en el Instituto Bávaro de Investigación de Geofísica y Geoquímica Experimental (BGI) de la Universidad de Bayreuth.
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