Твёрдый азот не так прост, как кажется
У одной из форм твёрдого азота обнаружили необычно сложную кристаллическую структуру.
С жидким азотом связано множество эффектных представлений – в нём замораживают цветы, его выливают в воду, можно даже без особых последствий опустить в жидкий азот палец. Но все эти криошоу – развлечения на потеху публике, настоящие же исследователи ставят опыты с твёрдым азотом. Несмотря на то, что впервые твёрдый азот был получен ещё в далёком 1884 году, он до сих пор продолжает привлекать пристальный научный интерес. Можно ли найти эту не совсем обычную форму азота, где-то, кроме как в лабораториях? Да, но для этого придётся покинуть пределы нашей планеты и отправиться, скажем, к Плутону. На этой уже бывшей планете существует равнина Спутника, покрытая замёрзшим азотом – её можно посмотреть на удивительных фотографиях, сделанных зондом «Новые Горизонты».
Но вернёмся к твёрдому азоту – чем же он так интересен сейчас, если его открыли уже больше столетия назад? Дело в том, что за названием «твёрдый азот» скрывается множество структур, которые стабильны при разных температурах и разных давлениях. Например, если сжать азот под очень большим давлением, скажем, в миллион раз больше атмосферного, то он будет оставаться твёрдым даже при высоких температурах, вплоть до 1000 °C и даже выше. Создать такие условия в лаборатории можно с помощью специального устройства – ячейки с алмазными наковальнями. Поместив вещество в такую ячейку и создав там экстремальные условия, можно изучить его структуру, например с помощью таких методов, как рентгеноструктурный анализ.
Для твёрдого азота на сегодняшний день известно 15 различных форм: часть из них довольно хорошо изучена, но о некоторых до сих пор мало информации. Одна из таких малоизученных форм твёрдого азота носит название ι-N₂. Вот именно на ней международная группа исследователей и сосредоточила своё пристальное внимание. Для того чтобы получить азот ι-N₂, они поместили «обычный» твёрдый азот в ячейку с алмазными наковальнями и создали в ней условия с температурой 477 °C и 65 ГПа, после чего провели серию экспериментов с целью изучить строение получившегося вещества.
Оказалось, что азот ι-N₂ имеет очень необычную структуру: его кристаллическая ячейка состоит из 48 молекул азота, сложным образом ориентированных друг относительно друга. Обычно простые вещества вроде двухатомных молекул лёгких элементов имеют довольно простую кристаллическую структуру, например, молекулы могут располагаться в вершинах куба или параллелепипеда и их количество в пересчёте на ячейку не так велико. Даже для других известных форм твёрдого азота это количество не превышало 24 молекулы. Здесь же почти полсотни молекул!
Это необычное открытие говорит о том, что при экстремальных условиях, стабильными могут оказаться неожиданно сложные структуры, которые практически невозможно предсказать заранее, тем более без эксперимента. Что же касается экстремальных давлений, то кроме алмазных ячеек они вполне могут существовать в недрах экзопланет, богатых азотом.
По материалам Nature Communications
10 ноября 2018
Статьи по теме:
