科学家揭开氮气固相的秘密！
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在环境压力和温度下，氮气是气体，以N 2 分子（N≡N）的形式存在，由极强的三键组成。当对气态氮分子施加极端压力时，它首先变成液态，然后在大约 2.5 GPa（即大气压力的 25,000 倍）的压力下变成固态。
一个多世纪以来，科学家们一直在深入研究分子氮的固相，因为了解氮转化的化学物理机制对于测试和完善固态科学理论至关重要。氮的 Zeta-N 2 相存在于 60 到 115 GPa 之间，是了解氮的分子到聚合物转变的关键部分。然而，尽管进行了大量的研究，其晶体结构（即氮分子的排列）至今仍不为人知，而这正是解读氮的奇特行为的关键。
鉴于此，近期由拜罗伊特大学牵头，与英国爱丁堡大学和瑞典林雪平大学的科学家合作在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上发表了题为 “Title: Structure determination of ζ- N 2 from single-crystal X-ray diffraction and theoretical suggestion for the formation of amorphous nitrogen” 的研究成果。项突破性研究揭开了氮固相的神秘面纱，阐明了氮的复杂行为。为氮的分子到聚合物的渐进转化以及无定形氮的形成提供了前所未有的见解。这为材料科学和高压物理学的发展铺平了道路。
ζ-N2 在 63 GPa 下的晶体结构和 ε- N 2 在相同密度下的晶体结构。a ζ- N 2 的结构图案由沿[25 0 -12]方向排列的顶点共享三角形双锥体链（红色）构成（勾勒出一个单胞）；金字塔的四角位于 N2 分子的质心处。蓝色、粉色、橙色和绿色球体分别对应于 N1、N2、N3 和 N4 原子；（b）沿 [25 0 -12] 方向观察的 ζ-N2 结构；（c、d）两个方向（分别为 [0 0 1] 和 [-251 -195 21]）的 ζ-N2 结构有助于观察其细节。e 沿 c 方向观察的 ε-N2 结构（蓝色和红色球体分别代表 N1 原子和 N2 原子）；（f）ε-N2 的结构与（c，d）中所示的 ζ-N2 结构的对比。蓝色和红色圆圈有助于强调 ε-N2 和 ζ-N2 之间的差异。
研究小组采用拜罗伊特大学新开发的实验技术，成功确定了 Zeta- N 2 的晶体结构。 研究人员将金刚石砧单元中的分子氮挤压到 60 至 85 GPa 的极压，如地幔中的极压。通过高达 2,000°C 的激光加热，他们得以重结晶出高质量的亚微米级 Zeta-N 2 晶粒。通过同步辐射单晶 X 射线衍射，他们解决并完善了其晶体结构。有了这些实验发现，瑞典林雪平大学的理论家们对氮的独特聚合过程有了进一步的了解。
这项研究的意义超出了氮本身，让人们对极端条件下的分子转化有了更深入的了解。这些发现为固态科学、材料科学和高压物理学的发展铺平了道路。研究人员改进了研究用于电子、计算机芯片、半导体、太阳能电池、电池、照明、金属或绝缘体的功能材料特性的方法。
参考文献
Dominique Laniel et al, Structure determination of ζ-N2 from single-crystal X-ray diffraction and theoretical suggestion for the formation of amorphous nitrogen, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41968-2
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