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Un nouveau matériau `` azote noir '' haute pression pourrait fonctionner comme le graphène

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Les chercheurs en chimie à haute pression ont réfuté une règle d'or des éléments fondamentaux, créant une structure cristalline à partir d'azote avec des couches atomiques bidimensionnelles - montrant un grand potentiel pour l'électronique de haute technologie d'une manière qui pourrait ressembler au graphène. Surnommé «azote noir», le nouveau matériau a été expliqué dans une étude publiée dans la revueLettres d'examen physique.

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Briser la règle d'or avec l'azote noir

Sous haute pression, le carbone, l'oxygène et d'autres éléments légers suivent une règle d'or: ils ont des structures similaires aux éléments plus lourds d'un même groupe d'éléments.

Cependant, l'azote a toujours été le mouton noir sous la règle d'or.

Lorsque les éléments chimiques sont disposés par ordre croissant en fonction du nombre de protons de chacun, leurs propriétés se reproduisent à de grands intervalles (périodes). Le tableau périodique organise ces périodes pour être plus visuelles.

Les éléments aux propriétés similaires sont placés les uns en dessous des autres dans la même colonne, formant un groupe d'éléments. En haut de chaque colonne se trouve un élément avec le moins de protons et le poids le plus bas de son groupe. L'azote joue ce rôle pour le groupe 15, mais la raison pour laquelle c'était le «mouton noir» venait de la façon dont il se comportait sous haute pression.

Dans les expériences précédentes à haute pression, l'azote n'a pas montré une structure similaire à celles présentées par d'autres éléments plus lourds de son groupe dans des conditions normales. À savoir, le phosphore, l'antimoine et l'arsenic.

Au lieu de cela, sous haute pression, la structure de l'azote ressemblait davantage à celles observées dans les éléments les plus légers des groupes voisins: le carbone et l'oxygène.

L'azote n'est pas l'exception à la règle du tableau périodique

Il semble donc que l'azote ne soit pas l'exception à la règle, après tout. Des chercheurs travaillant au Laboratoire de cristallographie de l'Université de Bayreuth et à l'Institut bavarois de recherche en géochimie expérimentale et géophysique (BGI) l'ont prouvé en utilisant une méthode de mesure nouvellement développée.

Dominique Laniel a dirigé l'étude qui a fait une découverte inattendue. À des pressions et des températures élevées, les atomes d'azote fusionnent en une structure cristalline ressemblant au phosphore noir - une variante spécifique du phosphore. Cette structure se produit également dans l'arsenic et l'antimoine. Composées de couches bidimensionnelles d'atomes d'azote réticulés en zig-zag, ces couches 2D ressemblent au graphène - un matériau récemment découvert avec un grand potentiel pour les applications de haute technologie.

C'est pourquoi le phosphore noir fait maintenant l'objet d'études intensives pour son utilisation potentielle en tant que transistor, semi-conducteur ou autres futurs composants électroniques à haut rendement.

Les chercheurs de Bayreuth ont ainsi proposé un nom analogue pour l'allotrope d'azote qu'ils ont rencontré: l'azote noir.

La mauvaise nouvelle est que l'azote noir ne peut exister qu'aux températures et pressions extrêmes produites dans un laboratoire. Dans des conditions normales, il se dissout immédiatement. "En raison de cette instabilité, les applications industrielles ne sont actuellement pas réalisables. Néanmoins, l'azote reste un élément très intéressant dans la recherche sur les matériaux. Notre étude montre à titre d'exemple que des pressions et des températures élevées peuvent produire des structures et des propriétés matérielles que les chercheurs ignoraient auparavant , dit Laniel.

Structure de l'azote noir révélée par des accélérateurs de particules

Pour fabriquer de l'azote noir, les scientifiques ont dû créer - et nous ne saurions trop insister sur cela - des conditions extrêmes. La pression de compression a atteint 1,4 million de fois une atmosphère terrestre (ce que nous ressentons au niveau de la mer), et la température a dépassé 4 000 degrés Celsius (7 232 degrés Fahrenheit). Les scientifiques de Bayreuth ont travaillé avec le synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg et le Advanced Photon (APS) basé aux États-Unis au laboratoire national d'Argonne pour explorer le comportement des atomes dans ces conditions sauvages.

"Nous avons été surpris et intrigués par les données de mesure qui nous fournissent soudainement une structure caractéristique du phosphore noir. D'autres expériences et calculs ont depuis confirmé cette découverte. Cela signifie qu'il n'y a aucun doute à ce sujet: l'azote n'est en fait pas un élément exceptionnel , mais suit la même règle d'or du tableau périodique que le carbone et l'oxygène », a déclaré Laniel.


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