Les nitrures non métalliques sont des composés dans lesquels l’azote et des éléments non métalliques sont liés par des liaisons covalentes. En raison de leurs propriétés technologiquement intéressantes, ils sont de plus en plus au centre de la recherche sur les matériaux. Dans Chimie—Une revue européenneune équipe internationale avec des chercheurs de l’Université de Bayreuth présente des composés phosphore-azote jusqu’alors inconnus synthétisés sous de très hautes pressions.
Ils contiennent des unités structurelles dont l’existence ne pouvait pas être prouvée empiriquement auparavant. L’étude illustre le grand potentiel encore inexploité de la recherche à haute pression pour la chimie de l’azote.
Les chercheurs ont réussi à synthétiser une modification jusqu’alors inconnue du nitrure de phosphore P₃N₅, le polymorphe δ-P₃N₅, à une pression de 72 gigapascals. A 134 gigapascals, le nitrure de phosphore PN₂ s’est formé dans la cellule à enclume en diamant. Les deux composés sont classés comme matériaux ultra-incompressibles avec des modules de masse supérieurs à 320 GPa.
Les chercheurs ont découvert une raison clé de cette résistance extrême grâce aux calculs de la théorie fonctionnelle de la densité de l’analyse par diffraction des rayons X synchrotron : les structures cristallines de δ-P₃N₅ et PN₂ consistent en un réseau dense d’octaèdres PN₆ avec un atome de phosphore entouré de six atomes d’azote. Jusqu’à présent, l’existence de ces unités structurelles n’avait été que suspectée, mais maintenant elles ont été prouvées empiriquement pour la première fois.
Le polymorphe δ-P₃N₅ s’est transformé en une autre modification, également inconnue auparavant, de P₃N₅ lorsque la pression de compression a été réduite: à sept gigapascals, le polymorphe α’-P₃N₅ s’est formé. Il s’agit d’un nouveau matériau solide qui reste stable dans des conditions ambiantes normales. La structure cristalline de ce phosphoronitrure est également inhabituelle, étant composée de tétraèdres PN₄ : un atome de phosphore est situé au centre de ces motifs structuraux en forme de pyramide, tandis que les quatre « coins » sont occupés chacun par un atome d’azote.
Comparé au polymorphe bien connu α-P₃N₅, qui fait déjà l’objet de recherches en tant que matériau industriel possible, α′-P₃N₅ a une densité nettement plus élevée. Il est donc considérablement plus difficile et potentiellement encore plus attrayant en termes d’applications potentielles d’ingénierie.
« Le α′-P₃N₅ formé lors de la décompression de δ-P₃N₅ illustre comment des composés azotés aux propriétés très intéressantes peuvent être découverts via un détour de synthèses à haute pression. D’autres investigations devraient maintenant suivre pour explorer les applications potentielles de ce nouveau matériau. Avec notre publication , nous souhaitons encourager davantage de recherches à haute pression et à haute température sur les nitrures non métalliques, qui ont été largement négligés par rapport aux nitrures métalliques. De nouvelles études dans ce domaine passionnant peuvent considérablement élargir notre compréhension de la chimie de l’azote. contribuer à la découverte de matériaux recyclables pour les produits de tous les jours », déclare la physicienne des cristaux de Bayreuth, Prof. Dr. Dr. hc Natalia Dubrovinskaia du Laboratoire de cristallographie de l’Université de Bayreuth, qui a coordonné la recherche.
Plus d’information:
Dominique Laniel et al, Revealing Phosphorus Nitrures up to the Megabar Regime: Synthesis of α′‐P3N5, δ‐P3N5 and PN2, Chimie—Une revue européenne (2022). DOI : 10.1002/chem.202201998