Les scientifiques percent les secrets de la phase solide de l'azote
Un aperçu sans précédent de la transformation progressive de l'azote de moléculaire à polymère et de la formation de l'azote amorphe
Une étude novatrice menée par des chercheurs de l'université de Bayreuth, en collaboration avec des scientifiques de l'université d'Édimbourg (Royaume-Uni) et de l'université de Linköping (Suède), a permis de percer les mystères des phases solides de l'azote et de mettre en lumière son comportement complexe. Leurs résultats, publiés dans la revue Nature Communications, fournissent des informations sans précédent sur la transformation progressive de l'azote de moléculaire à polymère et sur la formation de l'azote amorphe. Ils ouvrent ainsi la voie à des avancées dans les domaines de la science des matériaux et de la physique des hautes pressions.
À la pression et à la température ambiantes, l'azote est un gaz et se présente sous la forme d'une molécule N₂ (N≡N) composée d'une triple liaison extrêmement forte. Lorsque des pressions extrêmes sont appliquées à l'azote moléculaire gazeux, il devient d'abord liquide puis solide à environ 2,5 GPa (soit 25 000 fois la pression atmosphérique). Depuis plus d'un siècle, les scientifiques étudient les phases solides de l'azote moléculaire, car la connaissance des mécanismes chimico-physiques qui sous-tendent les transformations de l'azote est essentielle pour tester et affiner les théories des sciences de l'état solide.
La phase Zeta-N₂ de l'azote, qui existe entre 60 et 115 GPa, est une pièce essentielle du puzzle qui permet de comprendre la transition de l'azote moléculaire vers le polymère. Cependant, malgré un grand nombre d'études, sa structure cristalline (c'est-à-dire l'arrangement des molécules d'azote) était jusqu'à présent inconnue et essentielle pour déchiffrer le comportement étrange de l'azote. L'équipe de recherche, dirigée par Dominique Laniel (université d'Édimbourg), Natalia Dubrovinskaia et Leonid Dubrovinsky (université de Bayreuth), a utilisé une technique expérimentale récemment mise au point à Bayreuth pour déterminer avec succès la structure cristalline de Zeta-N2. Les chercheurs ont pressé de l'azote moléculaire dans des cellules d'enclume en diamant à des pressions extrêmes comprises entre 60 et 85 GPa, telles que celles qui prévalent dans le manteau terrestre. En appliquant un chauffage laser jusqu'à 2000 degrés Celsius, ils ont pu recristalliser des grains de Zeta-N₂ de haute qualité et de taille submicrométrique. Leur structure cristalline a été résolue et affinée à partir de la diffraction synchrotron des rayons X sur un seul cristal. Grâce à ces résultats expérimentaux, les théoriciens de l'université de Linköping (Suède) ont pu mieux comprendre le processus unique de polymérisation de l'azote.
Les implications de cette recherche vont au-delà de l'azote lui-même et permettent de mieux comprendre les transformations moléculaires dans des conditions extrêmes. Les résultats ouvrent la voie à des avancées dans les domaines des sciences de l'état solide, de la science des matériaux et de la physique des hautes pressions. Les chercheurs améliorent les méthodes d'étude des propriétés des matériaux fonctionnels utilisés dans l'électronique, les puces électroniques, les semi-conducteurs, les cellules solaires, les batteries, l'éclairage, les métaux ou les isolants.
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Publication originale
Dominique Laniel, Florian Trybel, Andrey Aslandukov, James Spender, Umbertoluca Ranieri, Timofey Fedotenko, Konstantin Glazyrin, Eleanor Lawrence Bright, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Igor A. Abrikosov, Leonid Dubrovinsky, Natalia Dubrovinskaia; "Title: Structure determination of ζ-N2 from single-crystal X-ray diffraction and theoretical suggestion for the formation of amorphous nitrogen"; Nature Communications, Volume 14, 2023-10-5
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