物理学者は最初に六角形のポリマー窒素を合成しました

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ビデオ: 全ての角が等しい六角形は正六角形? 2022, 12月
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Anonim
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フランスの物理学者は、純粋な窒素を3300ケルビンの温度に加熱し、それを244万気圧に圧縮することによって、六角形のポリマー窒素を最初に合成しました。窒素の静的圧縮に関する以前の実験では、そのような高圧と温度は達成されませんでした。同時に、理論計算では、これらの条件下で別の化合物が形成されることが予測されました。したがって、研究者は、理論がいくつかの微妙な効果、たとえば粒子の交換相互作用を見落としていると信じています。この記事はPhysicalReviewLettersに掲載されました。

純粋な窒素は通常の条件下ではほぼ理想気体ですが、その挙動は極端な温度と圧力で劇的に変化します。現在、物理学者は窒素の14の相状態を知っており、そのほとんどは10万気圧以上の圧力で安定しています。特に、それらには、数百万気圧のオーダーの圧力で形成されるアモルファス液体、立方(立方ゴーシュ、cg-N)および層状ポリマー(LP-N)構造が含まれます。この豊富な相像は、窒素原子が2つまたは3つの共有結合に参加できるという事実によって部分的に説明されます-高圧では、そのような結合の数がコンパクトなN2分子よりも有利です。

残念ながら、窒素の相状態のほとんどは実際には観察されていません。物理学者は、密度関数理論(DFT)の枠組み内で化合物の構造を数値計算し、そのエンタルピー、原子振動のスペクトル、およびその他の特性を推定することにより、このような化合物の安定性を理論的に証明しました。計算を単純化するために、科学者はしばしば、彼らの意見では、サンプルの振る舞いにほとんど影響を与えなかった詳細を無視しました。実際には、そのような近似は常に有効とは言えません。たとえば、昨年11月、科学者たちはシリコンの2つの新しい結晶修飾を高圧で合成しました。これは、結晶の構造に関するPaulingの3番目の規則と矛盾します。したがって、理論的な予測は直接実験で検証する必要があります。

Paul Loubeyreが率いる科学者のグループは、純粋な窒素の理論が、240万気圧以上の圧力と3000ケルビンのオーダーの温度での実験とどれほど正確に一致するかをテストしました。これを行うために、物理学者はダイヤモンドアンビルで窒素を絞り、レーザーで加熱しました。以前は、このような極端な条件は静的圧縮実験では達成されませんでした。その結果、科学者は六角形の層状高分子窒素(HLP-N)を最初に合成しました。

科学者はいくつかの段階で極端な状態を受けました。まず、彼らは窒素を180万気圧の圧力に圧縮しました。これらの条件下では、サンプルは完全に不透明であり、X線スペクトルに回折ピークは観察されませんでした。これは、窒素が結晶格子を持たないアモルファス相にあることを意味します。その後、科学者はサンプルを1200ケルビンの温度に加熱し、圧力を209万気圧に上げましたが、物質の結晶化を示す回折ピークまたは振動モードは現れませんでした。さらに2800ケルビンの温度に加熱し、231万気圧に圧力を上げても、それらは現れませんでしたが、この段階でサンプルは光を透過し始めました。科学者たちは、この時点で、サンプルはさまざまな高分子窒素化合物の混合物で構成されていたと考えています。最後に、3300ケルビンの温度と244万気圧の圧力で、サンプルは再び不透明になり、明確に区別できる回折ピークがそのスペクトルに現れました。その後の176万気圧への減圧により、これらのピークは持続しました。したがって、窒素は準安定結晶相に移行しました。

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(a、b)2、31、および244万気圧の圧力でのサンプルの顕微鏡写真。 (c)244万気圧に圧縮され、その後176万気圧に減圧されたサンプルのX線スペクトル

得られた材料の回折ピークの位置は、以前に合成されたポリマー窒素の相、または263万気圧を超える圧力で安定しているはずのN10の理論的に予測された立方構造と一致しませんでした。それにもかかわらず、ルベイル法を使用して、科学者はサンプルの結晶構造を決定することができました-それは正方晶系に属し、空間群P4 2bcに属していることが判明しました。このような格子では、窒素原子は歪んだ六角形にグループ化され、層に折りたたまれます。したがって、科学者たちは化合物を六角形の層状ポリマー窒素と名付けました。

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Le Baile法(a)によって決定された格子並進ベクトルと結果として生じる結晶格子(b)

さらに、物理学者は、密度汎関数理論の枠組み内での数値計算によってサポートされているラマン分光法を使用して、材料の結晶構造を独自に確認しました。言い換えれば、科学者たちは、研究された圧力と温度の範囲で安定している可能性のある4つの結晶格子の構造と振動モードを数値的にシミュレートし、理論と実験を比較しました。科学者たちはHLP-Nに最もよくマッチしました。

同時に、空間群Pba2に属する構造を持つ別の層状ポリマーの理論的に計算されたエンタルピーは、HLP-Nのエンタルピーよりもわずかに低くなります。つまり、理論では、HLP-Nの形成はエネルギー的に不利であると予測されます。したがって、この記事の著者は、理論が粒子の交換相互作用などのエネルギーへの非調和的な寄与を見落としていると考えています。

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HLP-Nラマンスペクトル(a)および240万から50万気圧への減圧中のスペクトルの変化(b)。比較のために、密度汎関数理論の枠組みで得られたスペクトルを示します。

物理学者は、地球や他の惑星の中心で起こっているプロセスをよりよく理解するために、高圧での物質の振る舞いを研究することがよくあります。たとえば、昨年7月、英国、中国、米国の科学者は、サンプルを120万気圧の圧力に圧縮し、3000ケルビンに加熱することにより、初めて液体の金属窒素を実験的に取得しました。これらの条件は、地球の中心の条件に近いものです。 12月、数値シミュレーションを使用した中国と米国の研究者は、ヘリウムと酸化鉄の安定した化合物が地球の中心にも形成され、惑星形成の夜明けに一次ヘリウムを吸収する可能性があることを示しました。科学者が実験室でこれらの極端な条件をどのように取得するかについての詳細な読み物については、地球の中心への旅を参照してください。

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