Des chercheurs des universités de Bayreuth et de Linköping ont produit sous très haute pression deux composés surprenants d’azote et d’yttrium, un métal des terres rares. Les nouveaux polynitrures contiennent des structures cristallines d’azote en forme d’anneau et de spirale qui n’ont jamais été observées auparavant dans des expériences ou prédites dans des calculs théoriques. Ils ressemblent à des structures répandues de composés de carbone. Les synthèses à haute pression décrites dans la revue Angewandte Chemie montrent que la diversité des composés azotés possibles et de leurs structures est bien plus grande que ne le suggère le comportement des atomes d’azote dans des conditions normales.
Le nombre de composés azotés présents dans la nature est très faible par rapport à la diversité structurelle des composés carbonés. Ceci est principalement dû au fait que les atomes d’azote forment des triples liaisons extrêmement stables à la pression ambiante normale. Au cours des deux dernières décennies, cependant, il est devenu évident que la chimie de l’azote change considérablement sous de très hautes pressions. Des équipes de recherche de l’Université de Bayreuth, dirigées par le Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia et le Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, ont synthétisé de nouveaux composés azotés (nitrures) qui présentent des structures inhabituelles et, dans certains cas, des propriétés technologiquement très intéressantes, telles que densité d’énergie très élevée ou dureté extraordinaire. L’étude maintenant publiée s’appuie sur ces recherches.
Les deux nouveaux nitrures d’yttrium, YN₆ et Y₂N₁₁, ont été créés dans une cellule de tampon diamant chauffée au laser. À une pression de compression de 100 gigapascals et à une température d’environ 2 700 degrés Celsius, des réactions chimiques se sont produites entre les atomes d’yttrium et d’azote, conduisant aux nouveaux composés. Les structures cristallines de YN₆ et Y₂N₁₁ ont des arrangements uniques d’atomes d’azote :
Les dernières techniques de diffraction des rayons X monocristallin synchrotron à haute pression ont été cruciales pour la détection de ces structures très inhabituelles. Entre autres choses, ils ont révélé que les atomes d’azote dans les nouvelles structures cristallines sont reliés les uns aux autres par des liaisons covalentes, alors qu’il n’y a pas de liaisons covalentes entre les atomes d’azote et d’yttrium.
« En chimie organique, les composés de carbone en forme d’anneau et de spirale sont d’une importance capitale. Les quelques polynitrures connus à ce jour dans lesquels les atomes d’azote forment de telles structures sont tous des composés inorganiques. Cependant, notre synthèse à haute pression de Y₂N₁₁ est une preuve supplémentaire que l’azote a le potentiel fondamental de former de telles unités structurelles », déclare Andrii Aslandukov, premier auteur de la nouvelle publication et titulaire d’un doctorat. étudiant de l’équipe de recherche du Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky au Bavarian Geoinstitute (BGI) et du Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia au Laboratoire de Cristallographie de l’Université de Bayreuth.
« Avec nos partenaires de Linköping, nous continuerons à faire progresser la recherche sur ces composés azotés à Bayreuth. Nous ne sommes peut-être pas loin, dans la recherche à haute pression, de synthétiser des polynitrures qui présentent une diversité structurelle insoupçonnée aujourd’hui. Ce serait le début de une nouvelle branche de la chimie : la chimie organique de l’azote à haute pression », explique le professeur Dubrovinskaia.
Andrey Aslandukov et al, Anionic N 18 Macrocycles and a Polynitrogen Double Helix in Novel Yttrium Polynitrides YN 6 and Y 2 N 11 at 100 GPa, Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI : 10.1002/anie.202207469