Stickstoff bildet unter hohem Druck äußerst ungewöhnliche Strukturen

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 noch nie zuvor in Experimenten beobachtet oder in theoretischen Berechnungen vorhergesagt wurden. Sie sehen weit verbreiteten Strukturen von Kohlenstoffverbindungen ähnlich. Die in der Zeitschrift beschriebenen Hochdrucksynthesen Angewandte Chemie zeigen, dass die Vielfalt möglicher Stickstoffverbindungen und ihrer Strukturen weitaus größer ist, als das Verhalten von Stickstoffatomen unter normalen Bedingungen vermuten lässt.

Die Zahl der in der Natur vorkommenden Stickstoffverbindungen ist im Vergleich zur strukturellen Vielfalt der Kohlenstoffverbindungen sehr gering. Das liegt vor allem daran, dass Stickstoffatome bei normalem Umgebungsdruck äußerst stabile Dreifachbindungen bilden. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich jedoch gezeigt, dass sich die Chemie des Stickstoffs unter sehr hohen Drücken erheblich verändert. Forscherteams der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky haben neuartige Stickstoffverbindungen (Nitride) synthetisiert, die ungewöhnliche Strukturen und zum Teil technologisch sehr attraktive Eigenschaften aufweisen – wie z sehr hohe Energiedichte oder außergewöhnliche Härte. Die jetzt veröffentlichte Studie baut auf dieser Forschung auf.

Die beiden neuen Yttriumnitride YN₆ und Y₂N₁₁ wurden in einer laserbeheizten Diamantstempelzelle erzeugt. Bei einem Kompressionsdruck von 100 Gigapascal und einer Temperatur von etwa 2.700 Grad Celsius fanden chemische Reaktionen zwischen Yttrium- und Stickstoffatomen statt, die zu den neuen Verbindungen führten. Die Kristallstrukturen von YN₆ und Y₂N₁₁ haben einzigartige Anordnungen von Stickstoffatomen:

Entscheidend für den Nachweis dieser sehr ungewöhnlichen Strukturen waren die neuesten Techniken der Hochdruck-Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung. Sie zeigten unter anderem, dass die Stickstoffatome in den neuen Kristallstrukturen durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind, während zwischen den Stickstoff- und Yttriumatomen keine kovalenten Bindungen bestehen.

„In der organischen Chemie sind ring- und spiralförmige Kohlenstoffverbindungen von zentraler Bedeutung. Die wenigen bisher bekannten Polynitride, in denen Stickstoffatome solche Strukturen bilden, sind allesamt anorganische Verbindungen. Unsere Hochdrucksynthese von Y₂N₁₁ ist jedoch ein weiterer Beweis dafür, dass Stickstoff hat das grundlegende Potenzial, solche Struktureinheiten zu bilden“, sagt Andrii Aslandukov, Erstautor der neuen Publikation und promovierter Wissenschaftler. Studentin im Forschungsteam von Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky am Bayerischen Geoinstitut (BGI) und Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia am Laboratorium für Kristallographie der Universität Bayreuth.

„Gemeinsam mit unseren Partnern in Linköping werden wir die Forschung an solchen Stickstoffverbindungen in Bayreuth weiter vorantreiben. Vielleicht sind wir in der Hochdruckforschung nicht mehr weit davon entfernt, Polynitride zu synthetisieren, die eine heute ungeahnte Strukturvielfalt aufweisen einen neuen Zweig der Chemie: die stickstofforganische Chemie bei hohen Drücken“, erklärt Prof. Dubrovinskaia.