Азот на грани полимера: две новые фазы экспресс
Азот — тот самый газ, которым мы дышим, — под давлением в миллион атмосфер ведёт себя как капризный металл. В камере с алмазными наковальнями его сжимают до 78–98 гигапаскалей и греют лазером до 1800–2500 кельвинов. В этих условиях молекулы N₂ перестраиваются в кристаллы, которые могут запасать энергию плотнее, чем взрывчатка.
Группа исследователей обнаружила две такие формы. Первая, названная tζ-N₂, — это «тройной» вариант уже известной ζ-фазы: её кристаллическая решётка повторяется через каждые три слоя, и в элементарной ячейке помещается 96 атомов. Вторая, ξ-N₂, — гексагональная, с 112 атомами в ячейке. Обе фазы получили, нагревая ζ-азот лазером в алмазной наковальне, а структуру определили с помощью рентгеновской дифракции на монокристалле. Расчёты из первых принципов подтвердили стабильность новых форм.
Эти фазы — ступеньки на пути к полимерному азоту, где атомы связаны одинарными связями в трёхмерную сетку. Такое вещество могло бы стать самым энергоёмким из известных, но пока его получают лишь в крошечных количествах. Новые структуры помогают понять, как именно молекулы перестраиваются под давлением, — и, возможно, приближают создание материалов с рекордной плотностью энергии.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2604.16641
Molecular nitrogen exhibits remarkable structural diversity near the polymeric transition, where multiple phases are metastable. Here, we report two new molecular phases. The first, $$t\zeta$$-N$$_2$$, is a polytype of monoclinic $$C2/c$$ $$\zeta$$-N$$_2$$, characterized by a tripled $$c$$ axis and 96 atoms per unit cell. The second, $$\xi$$-N$$_2$$, is a previously unreported hexagonal phase ($$P6cc$$) containing 112 atoms per unit cell. Both phases were synthesized in a diamond anvil cell by laser heating $$\zeta$$-N$$_2$$ to 1800--2500~K at pressures of 78--98~GPa. Their crystal structures were determined using single-crystal X-ray diffraction, corroborated by Raman spectroscopy, and supported by first-principles calculations. The $$t\zeta$$-N$$_2$$ phase likely corresponds to the previously reported $$\kappa$$-N$$_2$$ phase.
При давлении 78 гигапаскалей расстояние между атомами азота в кристалле меньше, чем между атомами углерода в алмазе.
В романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки» вымышленный лёд-девять заставляет воду кристаллизоваться при комнатной температуре — новые фазы азота тоже существуют только при экстремальных условиях, но напоминают о том, как давление меняет привычные вещества.