Forschung

Stickstoff bildet unter Hochdruck ungewöhnliche Strukturen

16.08.2022 - Neue Polynitride enthalten ring- und spiralförmige Kristallstrukturen.

Forscher der Universitäten Bayreuth und Linköping haben unter sehr hohem Druck zwei über­raschende Verbindungen aus Stickstoff und dem Selten­erd­metall Yttrium hergestellt.  Die neuen Polynitride enthalten ring- und spiral­förmige Kristall­strukturen von Stickstoff, die bislang weder in Experi­menten beobachtet noch in theore­tischen Berechnungen vorher­gesagt wurden. Sie sehen weit verbreiteten Strukturen von Kohlen­stoff­ver­bindungen ähnlich. Die Hochdruck­synthesen zeigen, dass die Vielfalt möglicher Stickstoff­verbindungen und ihrer Strukturen weitaus größer ist, als das Verhalten von Stickstoffatomen unter normalen Bedingungen erwarten lässt.

Die Zahl der in der Natur vorkommenden Stickstoff­verbindungen ist, verglichen mit der strukturellen Vielfalt von Kohlenstoff­verbindungen, sehr gering. Das liegt vor allem daran, dass Stickstoff­atome bei normalem Umgebungs­druck äußerst stabile Dreifach­bindungen eingehen. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich aber gezeigt, dass sich das Verhalten von Stickstoff unter sehr hohen Drücken erheblich verändert. Das Forschungsteam hat Nitride synthetisiert, die ungewöhnliche Strukturen aufweisen und in einigen Fällen technologisch sehr attraktive Eigen­schaften – wie beispiels­weise eine sehr hohe Energiedichte oder eine außer­ordent­liche Härte – besitzen.

Die beiden neuen Yttrium-Nitride, YN₆ und Y₂N₁₁, wurden in einer laser­beheizten Diamant-Stempel­zelle erzeugt. Bei einem Kompressions­druck von hundert Gigapascal und bei einer Temperatur von etwa 2700 Grad Celsius kam es zu chemischen Reaktionen zwischen Yttrium- und Stickstoff­atomen, die zu den neuen Verbindungen führten. Die Kristall­strukturen von YN₆ und Y₂N₁₁ weisen einzig­artige Anordnungen von Stickstoff­atomen auf.

YN₆-Kristalle enthalten flächige, symmetrisch aufgebaute Ring­strukturen, die als Makrozyklen bezeichnet werden. In jedem dieser Zyklen ist ein Yttriumatom von 18 sternförmig angeordneten Stickstoff­atomen umgeben. Weitere Yttriumatome sorgen dafür, dass die Makrozyklen stabil übereinander liegen.

Y₂N₁₁-Kristalle wiederum enthalten zwei spiral­förmige Ketten von Stickstoff­atomen, die zusammen eine Doppelhelix bilden. Diese poly­nitrogene Doppelhelix eignet sich möglicher­weise als Blaupause für die Synthese weiterer anorganischer Spiral­strukturen.

Entscheidend für den Nachweis dieser sehr ungewöhn­lichen Strukturen waren neueste Techniken der Hochdruck-Synchrotron-Einzel­kristall-Röntgen­beugung. Sie ließen unter anderem erkennen, dass die Stickstoff­atome in den neuen Kristall­strukturen unter­ein­ander durch kovalente Bindungen verbunden sind, während es zwischen den Stickstoff- und den Yttrium­atomen keine kovalenten Bindungen gibt.

Ring- und spiral­förmige Kohlenstoff­verbindungen sind in der organischen Chemie von zentraler Bedeutung. Die wenigen bisher bekannten Polynitride, in denen Stickstoff­atome derartige Strukturen bilden, sind durchweg anorganische Verbindungen. Die Hochdruck­synthese von Y₂N₁₁ ist jetzt ein erneuter Beleg dafür, dass Stickstoff grund­sätz­lich das Potenzial hat, solche Struktur­einheiten zu bilden.

U. Bayreuth / RK

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