Bài toán "con cừu đen"
Trong bảng tuần hoàn hóa học, có một "nguyên tắc vàng" cho carbon, oxy và các nguyên tố nhẹ khác. Dưới áp suất cao, chúng đều có cấu trúc tương tự nhau với các nguyên tố nặng hơn trong cùng một nhóm.
Khi bạn sắp xếp những nguyên tố hóa học theo thứ tự tăng dần dựa vào số proton trong hạt nhân của chúng và nhìn vào tính chất hóa học thì sẽ có một sự lặp lại tính chất trong một khoảng nào đó (gọi là chu kỳ hóa học).
Mỗi hàng trong bảng gọi là các chu kỳ, trong khi các cột là các nhóm và ở mỗi nhóm thì tính chất hóa học của các nguyên tố hóa học cũng tương tự nhau. Nitơ là nguyên tố hóa học nằm ở nhóm (cột) thứ 15 và được xem là "con cừu đen" giữa đàn cừu trắng.
Lý do là trong điều kiện thí nghiệm áp suất cao thì nguyên tố này lại không thể hiện tính chất giống như các nguyên tố khác. Cụ thể nitơ không thể hiện cấu trúc tương đồng như các nguyên tố hóa học cùng nhóm với nó như phopho, asen, antimon...
Vị trí của nhóm nitơ trong bảng tuần hoàn. Ảnh: Dominique Laniel
Thực tế thì nitơ cũng không phải là ngoại lệ của nguyên tắc trong bảng tuần hoàn.
Các nhà hóa học đã phải đau đầu với trường hợp "cá biệt" của nitơ vì có vẻ như nitơ không tuân theo "nguyên tắc vàng" này. Nhưng mới đây, câu đố hóc búa này đã có lời giải đáp!
Các nhà nghiên cứu tại khoa Địa vật lý và Địa hóa học Thực nghiệm của Viện Nghiên cứu Bavarian (BGI) cùng Phòng thí nghiệm Tinh thể học của Đại học Bayreuth (Đức) đã chứng minh nitơ cũng không phải nguyên tố dị biệt so với các nguyên tố cùng nhóm.
Tiến sĩ Dominique Laniel (đứng thứ 2 từ phải qua) dẫn đầu nghiên cứu về nitơ đen. Ảnh: Uni-bayreuth
Với sự trợ giúp của phương pháp đo mới mà họ phát triển, các nhà nghiên cứu dưới sự dẫn đầu của tiến sĩ Dominique Laniel đã tạo nên một khám phá tuyệt vời mà các nhà khoa học trước đó chưa từng biết tới.
Dưới áp suất và nhiệt độ cực cao, nguyên tử nitơ tạo nên cấu trúc tinh thể đặc thù của photpho đen - một dạng thù hình của photpho (Cấu trúc cũng xảy ra ở asen và antimon) bao gồm những lớp hai chiều được liên kết ngang theo kiểu zigzag đồng dạng.
Họ đã tạo ra một cấu trúc kết tinh của nitơ (điều có thể xảy ra dưới điều kiện thông thường ở photpho đen và asen). Cấu trúc này gồm lớp nguyên tử hai chiều và do đó mang lại nhiều điều thú vị cho điện tử học công nghệ cao.
Việc nitơ không tuân theo "nguyên tắc vàng" chỉ là do nhiệt độ và áp suất chưa đủ mà thôi. Nói cách khác, trước đó chùng ta chỉ ngộ nhận nitơ là một trường hợp đặc biệt do áp suất và nhiệt độ quá thấp, chưa thể khiến nitơ bộc lộ các tính chất tương tự các thành viên khác.
"Chúng tôi đã rất ngạc nhiên khi dữ liệu đo được cho thấy cấu trúc tương tự của nitơ khi ở áp suất và nhiệt độ cực cao lại giống với phopho đen. Điều đó có nghĩa là, không còn nghi ngờ gì nữa: Nitơ, thực ra, không phải là nguyên tố dị biệt.
Nó cũng chỉ tuân theo quy tắc vàng của bảng tuần hoàn hóa học như carbon hay oxy mà thôi", tiến sĩ Laniel cho hay. Tên của nguyên tố hóa học nhân tạo mới này được đặt tên là nitơ đen, phát hiện đã được công bố trên tạp chí khoa học Physical Review Letters.
Liệu nguyên tố mới này có thể ứng dụng trong thực tế?
Những lớp hai chiều có tính chất dẫn (tính không đẳng hướng) tương tự Graphene nên hứa hẹn tiềm năng rất lớn như một vật liệu trong ứng dụng công nghệ cao như transistor hiệu suất cao (linh kiện bán dẫn chủ động), chất bán dẫn cùng vô vàn thành phần điện tử khác trong tương lai.
Mặc dù vậy, nitơ đen chỉ tồn tại ở điều kiện đặc biệt trong phòng thí nghiệm (áp suất gấp 1,4 triệu lần áp suất khí quyển Trái Đất, nhiệt độ 4.000 độ C), nó sẽ phân rã ngay lập tức trong điều kiện thông thường.
"Do tính chất không bền vững này nên việc ứng dụng công nghiệp là một điều chưa thể thực hiện lúc này. Mặc dù vậy, nitơ đen vẫn là một nguyên tố thú vị trong việc nghiên cứu vật chất.
Nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra một ví dụ về việc nhiệt độ và áp suất cao có thể tạo ra những cấu trúc vật liệu và tính chất mới mà các nhà nghiên cứu trước đó chưa từng biết đến sự tồn tại của chúng", tiến sĩ Laniel nói.
Bài viết được dịch từ các nguồn: Sciencealert, Phys, Sciencedirect