‘Nitrogênio preto’: pesquisadores resolvem enigma da tabela periódica

Estrutura até agora desconhecida do nitrogênio interessa muito à eletrônica de alta tecnologia

O nitrogênio preto é formado quando o nitrogênio é colocado em uma célula selada de diamante entre diamantes opostos e submetido a pressões extremamente altas. Crédito: Christian Wißler

Na tabela periódica de elementos, existe uma regra de ouro para carbono, oxigênio e outros elementos leves: sob altas pressões, eles têm estruturas semelhantes a elementos mais pesados ​​no mesmo grupo de elementos. Mas o nitrogênio sempre parecia não querer seguir a linha. No entanto, pesquisadores de química de alta pressão da Universidade de Bayreuth (Alemanha) refutaram esse status especial. A partir do nitrogênio, eles criaram uma estrutura cristalina que, em condições normais, ocorre no fósforo preto e no arsênio. A estrutura contém camadas atômicas bidimensionais e, portanto, é de grande interesse para a eletrônica de alta tecnologia. Os cientistas apresentaram esse “nitrogênio preto” na revista “Physical Review Letters”.

Exceção no sistema periódico?

Quando você organiza os elementos químicos em ordem crescente, de acordo com o número de prótons, e observa suas propriedades, logo fica óbvio que algumas delas se repetem em grandes intervalos (períodos). A tabela periódica de elementos coloca essas repetições em foco. Elementos com propriedades semelhantes são colocados um abaixo do outro na mesma coluna e, assim, formam um grupo de elementos. No topo de uma coluna está o elemento que possui o menor número de prótons e o menor peso comparado aos outros membros do grupo.

O nitrogênio chefia o grupo de elementos 15, mas era considerado a “ovelha negra” do grupo. O motivo: em experimentos anteriores de alta pressão, ele não mostrou estruturas semelhantes às exibidas em condições normais pelos elementos mais pesados desse grupo – especificamente fósforo, arsênio e antimônio. Em vez disso, essas semelhanças são observadas em altas pressões nos grupos vizinhos encabeçados por carbono e oxigênio.

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Seção da tabela periódica: o nitrogênio (vermelho) e os elementos mais pesados fósforo, arsênio, antimônio e bismuto (verde) pertencem ao grupo de elementos 15. Sob pressões extremamente altas, o nitrogênio, como esses outros membros do grupo, tem uma estrutura composta de ziguezague em duas dimensões em forma de coração. Esquerda e direita são os grupos 14 e 16, encabeçados por carbono e oxigênio. Crédito: Dominique Laniel

De fato, o nitrogênio não é exceção à regra. Pesquisadores do Instituto de Pesquisa Bávaro de Geoquímica e Geofísica Experimental (BGI) e do Laboratório de Cristalografia da Universidade de Bayreuth agora provaram isso, com a ajuda de um método de medição desenvolvido recentemente.

Descoberta incomum

Sob a liderança de Dominique Laniel, eles fizeram uma descoberta incomum. Submetidos a pressões e temperaturas muito altas, os átomos de nitrogênio formam uma estrutura cristalina característica do fósforo preto (uma variante específica do fósforo). A estrutura também ocorre em arsênio e antimônio. É composta de camadas bidimensionais nas quais átomos de nitrogênio são reticulados em um padrão uniforme em ziguezague.

Em termos de propriedades condutoras, essas camadas 2-D são semelhantes ao grafeno, o que mostra uma grande promessa como material para aplicações de alta tecnologia. Portanto, o fósforo preto está sendo estudado atualmente por seu potencial como material para transístores, semicondutores e outros componentes eletrônicos altamente eficientes no futuro.

Os pesquisadores de Bayreuth estão propondo um nome análogo para o alótropo (uma de duas ou mais formas estruturais do mesmo elemento) do nitrogênio que descobriram: nitrogênio preto. Algumas propriedades tecnologicamente atraentes, em particular sua dependência direcional (anisotropia), são ainda mais pronunciadas do que no fósforo preto.

No entanto, o nitrogênio preto só pode existir em condições excepcionais de pressão e temperatura sob as quais é produzido em laboratório. Sob condições normais, ele se dissolve imediatamente. “Devido a essa instabilidade, as aplicações industriais atualmente não são viáveis. No entanto, o nitrogênio continua sendo um elemento muito interessante na pesquisa de materiais. Nosso estudo mostra como exemplo que altas pressões e temperaturas podem produzir estruturas e propriedades de materiais que os pesquisadores anteriormente não sabiam que existiam”, diz Laniel.

Determinando a estrutura

Foram necessárias condições realmente extremas para produzir nitrogênio preto. A pressão de compressão era 1,4 milhão de vezes a pressão da atmosfera da Terra e a temperatura excedia 4 mil graus Celsius. Para descobrir como os átomos se organizam sob essas condições, os cientistas de Bayreuth cooperaram com o Síncrotron Eletrônico Alemão (DESY) em Hamburgo e a Fonte Avançada de Fótons (APS) no Laboratório Nacional de Argonne, nos EUA. Aqui, raios X gerados pela aceleração de partículas foram disparados contra as amostras compactadas.

“Ficamos surpresos e intrigados com os dados de medição que nos fornecem repentinamente uma estrutura característica do fósforo preto”, afirma Laniel. “Mais experimentos e cálculos confirmaram esse achado. Isso significa que não há dúvidas: o nitrogênio não é, de fato, um elemento excepcional, mas segue a mesma regra de ouro da tabela periódica que o carbono e o oxigênio.”

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