Los científicos desvelan los secretos de la fase sólida del nitrógeno
Descubrimientos sin precedentes sobre la transformación gradual del nitrógeno de molecular a polimérico y la formación de nitrógeno amorfo
En un estudio pionero dirigido por investigadores de la Universidad de Bayreuth, en colaboración con científicos de la Universidad de Edimburgo (Reino Unido) y la Universidad de Linköping (Suecia), se han resuelto los misterios de las fases sólidas del nitrógeno, arrojando luz sobre su complejo comportamiento. Sus hallazgos, publicados en la revista Nature Communications, aportan datos sin precedentes sobre la transformación gradual del nitrógeno de molecular a polimérico y la formación de nitrógeno amorfo. Esto allana el camino para avances en la ciencia de materiales y la física de altas presiones.
A presión y temperatura ambiente, el nitrógeno es gas y se encuentra en forma de molécula de N₂ (N≡N) compuesta por un triple enlace extremadamente fuerte. Cuando se aplican presiones extremas al nitrógeno molecular gaseoso, primero se convierte en líquido y después en sólido a unos 2,5 GPa (es decir, 25.000 veces la presión atmosférica). Los científicos llevan más de un siglo estudiando las fases sólidas del nitrógeno molecular, ya que el conocimiento de los mecanismos químico-físicos que subyacen a las transformaciones del nitrógeno es vital para probar y refinar las teorías de las ciencias del estado sólido.
La fase Zeta-N₂ del nitrógeno, que existe entre 60 y 115 GPa, es una pieza fundamental del rompecabezas para comprender la transición molecular a polimérica del nitrógeno. Sin embargo, a pesar de un gran número de investigaciones, su estructura cristalina (es decir, la disposición de las moléculas de nitrógeno) era hasta ahora desconocida y clave para descifrar el extraño comportamiento del nitrógeno. El equipo de investigadores, dirigido por Dominique Laniel (Universidad de Edimburgo) y Natalia Dubrovinskaia y Leonid Dubrovinsky (Universidad de Bayreuth), empleó una técnica experimental recién desarrollada en Bayreuth para determinar con éxito la estructura cristalina del Zeta-N2. Los investigadores comprimieron nitrógeno molecular en celdas de yunque de diamante a presiones extremas de entre 60 y 85 GPa, como las existentes en el manto terrestre. Aplicando un calentamiento por láser de hasta 2000 grados Celsius, lograron recristalizar granos submicrométricos de alta calidad de Zeta-N₂. Su estructura cristalina se resolvió y refinó a partir de la difracción de rayos X monocristalina de sincrotrón. Con estos hallazgos experimentales en la mano, los teóricos de la Universidad de Linköping (Suecia) obtuvieron más información sobre el proceso de polimerización único del nitrógeno.
Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá del propio nitrógeno, ofreciendo una comprensión más profunda de las transformaciones moleculares en condiciones extremas. Los hallazgos allanan el camino para avances en las ciencias del estado sólido, la ciencia de materiales y la física de alta presión. Los investigadores mejoran los métodos de estudio de las propiedades de los materiales funcionales utilizados en electrónica, chips informáticos, semiconductores, células solares, baterías, iluminación, metales o aislantes.
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Publicación original
Dominique Laniel, Florian Trybel, Andrey Aslandukov, James Spender, Umbertoluca Ranieri, Timofey Fedotenko, Konstantin Glazyrin, Eleanor Lawrence Bright, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Igor A. Abrikosov, Leonid Dubrovinsky, Natalia Dubrovinskaia; "Title: Structure determination of ζ-N2 from single-crystal X-ray diffraction and theoretical suggestion for the formation of amorphous nitrogen"; Nature Communications, Volume 14, 2023-10-5
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