氮——周期系统中的一个例外?

当你根据质子数将化学元素按升序排列，并观察它们的性质时，很快就会发现某些性质会以较大的间隔(“周期”)重复出现。元素周期表使这些重复成为焦点。具有相似属性的元素在同一列中挨个放置，从而形成一组元素。在一列的顶端是与其他元素相比质子数最少、质量最低的元素。氮是第15族元素之首，但以前被认为是该族中的“害群之马”。原因是:在早期的高压实验中，氮的结构与该组重元素(尤其是磷、砷和锑)在正常条件下的结构不同。相反，这种相似性恰恰可以在以碳和氧为首的相邻基团的高压下观察到。

黑氮——一种高压材料，具有技术上吸引人的特性

事实上，氮也不例外。巴伐利亚实验地球化学与地球物理研究所(BGI)和拜罗伊特大学晶体学实验室的研究人员现在已经能够在他们最近开发的测量方法的帮助下证明这一点。在多米尼克·拉尼尔博士的带领下，他们有了一个不寻常的发现。在非常高的压力和温度下，氮原子形成一种晶体结构，这是黑磷的特征，黑磷是磷的一种特殊变体。它也存在于砷和锑中。这种结构由二维层组成，其中氮原子以统一的之字形图案交联。就其导电性能而言，这些二维层与石墨烯相似，作为高科技应用的材料，石墨烯显示出巨大的前景。因此，人们正在研究黑磷在未来作为高效晶体管、半导体和其他电子元件材料的潜力。

拜罗伊特大学的研究人员正在为他们发现的氮的同素异形体提出一个类似的名字:黑氮。一些技术上吸引人的特性，特别是它的方向依赖性(各向异性)，甚至比黑磷更明显。然而，黑氮只有在实验室中产生的特殊压力和温度条件下才能存在。在正常情况下，它会立即溶解。“由于这种不稳定性，工业应用目前还不可行。尽管如此，氮在材料研究中仍然是一个非常有趣的元素。我们的研究通过实例表明，高压和高温可以产生研究人员以前不知道存在的材料结构和特性，”拉尼尔说。

用粒子加速器测定结构

黑氮的产生需要非常极端的条件。压缩压力是地球大气压力的140万倍，温度超过4000摄氏度。为了找出原子在这些条件下是如何排列自己的，拜罗伊特大学的科学家们与汉堡的德国电子同步加速器(DESY)和美国阿贡国家实验室的先进光子源(APS)合作。在这里，粒子加速产生的x射线被发射到压缩的样品上。“我们对测量数据突然为我们提供了黑磷的结构特征感到惊讶和好奇。进一步的实验和计算证实了这一发现。这意味着毫无疑问:氮实际上并不是一种特殊的元素，而是与碳和氧一样遵循元素周期表的黄金法则，”拉尼尔说，他于2019年以亚历山大·冯·洪堡基金会研究员的身份来到拜罗伊特大学。