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Ordnung im Periodensystem: Fehlende Form des Stickstoffs aufgespürt

Auch das unkooperativste aller Elemente jenseits der Edelgase bildet ein Schichtmaterial. Man muss nur wissen, wie man es dazu bringt.
Periodensystem der ElementeLaden...

Eine auffällige Lücke im Periodensystem der Elemente ist vermutlich geschlossen: Das Element Stickstoff bildet eine theoretisch vorhergesagte, aber bisher nie nachgewiesene Struktur ähnlich dem Schwarzen Phosphor. Dieser »Schwarze Stickstoff« besteht aus quasi-zweidimensionalen Schichten von Sechsecken ähnlich dem Graphen, allerdings sind die Sechsecke in sich verknickt, so dass die Schichten gewellt sind statt flach. Wie eine Arbeitsgruppe um Dominique Laniel von der Universität Bayreuth berichtet, entsteht die neue Variante, wenn man Stickstoff bei einem Druck von 140 Gigapascal mit einem Laser auf 4000 Grad Celsius aufheizt. Die Struktur kannte man bisher von allen anderen Elementen der Stickstoffgruppe außer dem Stickstoff selbst.

Nach der Entdeckung des Schichtmaterials Graphen mit seinen ungewöhnlichen Eigenschaften haben Fachleute auch bei anderen Elementen Varianten mit Schichtstrukturen gesucht. Der Grund sind die besonderen Eigenschaften, vor allem in der Elektronik, die sich aus den Schichtstrukturen ergibt. Fündig wurden sie vor allem bei den schwereren Elementen der Kohlenstoffgruppe wie Silizium und Germanium, die sehr graphenähnliche Materialien bilden. Aber auch in der benachbarten Stickstoffgruppe interessierten sich Arbeitsgruppen für den aus Schichten aufgebauten Schwarzen Phosphor und die genauso aufgebauten Strukturen bei den schwereren Elementen wie Arsen und Antimon.

Bei Stickstoff selbst allerdings blieb die Suche nach so einer Struktur lange erfolglos – obwohl alles darauf hindeutete, dass es sie ebenfalls geben muss. Allerdings hat Stickstoff eine Besonderheit, durch die fast alle theoretisch möglichen Formen des Elements instabil und schwer zu finden sind. Die Bindung zwischen zwei Stickstoffatomen ist die stärkste bekannte Bindung des ganzen Chemie. Stickstoffatome ordnen sich automatisch zu Paaren, wenn man sie nicht gezielt daran hindert – zum Beispiel durch Druck und Temperatur wie Laniel und sein Team. Das bedeutet auch: Schwarzer Stickstoff ist extrem instabil und zerfällt in dem Moment, in dem die Bedingungen verschwinden, unter denen er sich bildete. Für den Stoff gibt es keine Verwendung jenseits der Grundlagenforschung.

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23/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 23/2020

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