En la tabla periódica de los elementos hay una regla de oro para el carbono, el oxígeno y otros elementos ligeros: bajo altas presiones, tienen estructuras similares a elementos más pesados en el mismo grupo de elementos. Menos el nitrógeno, que parecía que seguía su propio camino. Ahora, investigadores de química de alta presión de la Universidad de Bayreuth han refutado este estado especial. A partir del nitrógeno, crearon una estructura cristalina que, en condiciones normales, se transforma en fósforo negro y arsénico. La estructura contiene capas atómicas bidimensionales como las del grafeno, es de gran interés para la electrónica de alta tecnología. Los científicos han presentado este «nitrógeno negro» en la revista «Physical Review Letters».
Cuando se ordenan los elementos químicos en orden ascendente de acuerdo con su número de protones y se observan sus propiedades, pronto se hace evidente que ciertas características se repiten a grandes intervalos (períodos). La tabla periódica se enfoca estas repeticiones: los elementos con propiedades similares se colocan uno debajo del otro en la misma columna y, por lo tanto, forman un grupo de elementos. En la parte superior de una columna está el elemento que tiene la menor cantidad de protones y el menor peso en comparación con los otros miembros del grupo.
Sin embargo, al nitrógeno se le consideraba la «oveja negra» de su grupo. La razón: en experimentos anteriores de alta presión, el nitrógeno no mostró estructuras similares a las exhibidas en condiciones normales por elementos más pesados de este grupo, específicamente, fósforo, arsénico y antimonio. En cambio, tales similitudes se observan a altas presiones en los grupos vecinos encabezados por carbono y oxígeno.
Sección de la tabla periódica: El nitrógeno (rojo) y los elementos más pesados fósforo, arsénico, antimonio y bismuto (verde) pertenecen al grupo de elementos 15. Bajo presiones extremadamente altas, el nitrógeno, como estos otros miembros del grupo, tiene una estructura que consiste en zigzag en forma de capas bidimensionales. Izquierda y derecha son los grupos 14 y 16, encabezados por carbono y oxígeno
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Dominique Laniel
Investigadores del Instituto Bávaro de Investigación de Geoquímica y Geofísica Experimental (BGI) y el Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth, bajo el liderazgo de Dominique Laniel, han hecho un descubrimiento inusual: a presiones y temperaturas muy altas, los átomos de nitrógeno forman una estructura cristalina que es característica del fósforo negro, que es una variante particular del fósforo. La estructura también ocurre en arsénico y antimonio.
Este material se compone de capas bidimensionales en las que los átomos de nitrógeno están reticulados en un patrón de zigzag uniforme. En términos de propiedades conductoras, estas capas 2-D son similares al grafeno, lo que lo muestra como una gran promesa de material para aplicaciones de alta tecnología. Ocurre lo mismo con el fósforo negro, en el que se estudia actualmente su potencial como material para transistores, semiconductores y otros componentes electrónicos.
Como el fósforo negro, los investigadores de Bayreuth han propuesto un nombre análogo descubierto: nitrógeno negro. Aunque algunas características son más potentes que en el fósforo negro, el nitrógeno negro solo puede existir en condiciones excepcionales de presión y temperatura bajo las cuales se produce en el laboratorio. En condiciones normales, se disuelve de inmediato.
«Debido a esta inestabilidad, las aplicaciones industriales actualmente no son factibles. Sin embargo, el nitrógeno sigue siendo un elemento muy interesante en la investigación de materiales. Nuestro estudio muestra a modo de ejemplo que las altas presiones y temperaturas pueden producir estructuras y propiedades de materiales que los investigadores no sabían previamente que existían», afirma Laniel.
Condiciones extremas para su creación
Se necesitaron condiciones realmente extremas para producir nitrógeno negro. La presión de compresión fue 1,4 millones de veces la presión de la atmósfera de la Tierra, y la temperatura excedió los 4.000 grados Celsius. Para descubrir cómo se organizan los átomos en estas condiciones, los científicos de Bayreuth cooperaron con el Sincrotrón Electrónico Alemán (DESY) en Hamburgo y la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en el Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos. Aquí, rayos X generados por la aceleración de partículas fueron disparados a las muestras comprimidas.
«Nos sorprendieron e intrigaron los datos de medición que de repente nos proporcionaron una estructura característica del fósforo negro. Desde entonces, más experimentos y cálculos han confirmado este hallazgo. Esto significa que no hay duda al respecto: el nitrógeno, de hecho, no es un elemento excepcional, pero sigue la misma regla de oro de la tabla periódica que el carbono y el oxígeno», sentencia Laniel.
