Το άζωτο αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ατμόσφαιρας της Γης, αλλά υπό έντονη πίεση και χαμηλές θερμοκρασίες, μπορεί να σχηματίσει στερεές φάσεις με απροσδόκητα περίπλοκες δομές.
Μία από αυτές τις φάσεις, η γ-N2, παρέμενε ελάχιστα κατανοητή για περισσότερα από 50 χρόνια, παρά τις επαναλαμβανόμενες πειραματικές και θεωρητικές μελέτες.
Οι ερευνητές βρήκαν τώρα ισχυρές αποδείξεις ότι η γ-N2 υιοθετεί μια μονοκλινή δομή P21/c, η οποία περιέχει δύο μόρια αζώτου σε κάθε στοιχειώδη κυψελίδα.
Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαιώνει μια μακροχρόνια θεωρητική πρόβλεψη και αποσαφηνίζει τη δομή μιας φάσης που φαίνεται να καταλαμβάνει πολύ μεγαλύτερο εύρος πίεσης και θερμοκρασίας του αζώτου από ό,τι πίστευαν κάποτε οι επιστήμονες.
Για μισό αιώνα, ένα από τα πιο κοινά στοιχεία του πλανήτη μας κρατούσε κρυμμένο ένα μεγάλο επιστημονικό μυστικό κάτω από ακραίες συνθήκες. Παρά τις προσπάθειες δεκαετιών, η συμπεριφορά του αζώτου σε συνθήκες υπερβολικής πίεσης παρέμενε ένας άλυτος γρίφος για τη φυσική και τη χημεία.
Τώρα, μια νέα πρωτοποριακή μελέτη έρχεται να ρίξει φως στο σκοτάδι, αλλάζοντας όσα ξέραμε για τη δομή του. Οι ερευνητές ανακάλυψαν πειστικά στοιχεία για την ασύλληπτη δομή μιας φάσης υψηλής πίεσης του στερεού αζώτου.
Λύνοντας ένα δύσκολο δομικό παζλ
Η μελέτη διεξήχθη υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Σιαοντί Λιου (Xiaodi Liu) από το Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Χεφέι, το οποίο υπάγεται στα Ινστιτούτα Φυσικής Επιστήμης Χεφέι της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών.
Η ομάδα συνεργάστηκε με ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και άλλα διεθνή ιδρύματα. Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Matter and Radiation at Extremes.
Ο προσδιορισμός της δομής της γ-N₂ ήταν ασυνήθιστα δύσκολος επειδή η συγκεκριμένη φάση δεν μπορεί να αναπτυχθεί εύκολα ως ένας μονοκρύσταλλος υψηλής ποιότητας. Αντίθετα, συχνά σχηματίζεται ως σκόνη χαμηλής ποιότητας, καθιστώντας την τυπική δομική ανάλυση λιγότερο πειστική.
Για να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές συνδύασαν την περίθλαση ακτίνων Χ με σύγχροτρο, τη φασματοσκοπία Raman, τη φασματοσκοπία υπερύθρου και υπολογισμούς της θεωρίας συναρτησιακού πυκνότητας.
Η σύμπλευση αυτών των μεθόδων επέτρεψε στην ομάδα να ξεχωρίσει τη δομή P2₁/c ανάμεσα σε πολλά ανταγωνιστικά μοντέλα.
Ένα απροσδόκητο φαινόμενο ισοτόπου
Παλαιότερες μετρήσεις Raman είχαν αποκαλύψει ένα επιπλέον σήμα δόνησης, το οποίο φαινόταν ασύμβατο με την προτεινόμενη δομή. Η νέα μελέτη έδειξε ότι το σήμα αυτό δεν προερχόταν από μια διαφορετική κρυσταλλική διάταξη.
Αντίθετα, συνδεόταν με έναν μικρό αριθμό μορίων αζώτου που περιείχαν το σπάνιο ισότοπο άζωτο-15. Καθώς η πίεση αυξανόταν, αυτή η ασθενέστερη δόνηση πλησίαζε σε μια ισχυρότερη δόνηση από τα συνηθισμένα μόρια αζώτου, προκαλώντας την αλληλεπίδραση των δύο σημάτων.
Οι ερευνητές περιέγραψαν αυτό το φαινόμενο ως συντονισμό τύπου Fermi (Fermi-like resonance). Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι η γ-N₂ σχετίζεται στενά με μια άλλη στερεή φάση, τη θ-N₂. Οι δύο φάσεις έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά Raman και συγγενικές μοριακές διατάξεις, παρόλο που σχηματίζονται κάτω από πολύ διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.
