العلماء أخيرًا يحلون لغزًا دام 50 عامًا مخفيًا في النيتروجين الصلب

كشف الباحثون عن أدلة دامغة حول البنية المراوغة لمرحلة الضغط العالي من النيتروجين الصلب.

يشكل النيتروجين معظم الغلاف الجوي للأرض، ولكن تحت ضغط شديد ودرجات حرارة منخفضة، يمكن أن يشكل مراحل صلبة ذات هياكل معقدة بشكل غير متوقع. ظلت إحدى هذه المراحل، γ-N2، غير مفهومة جيدًا لأكثر من 50 عامًا على الرغم من الدراسات التجريبية والنظرية المتكررة.

لقد وجد الباحثون الآن دليلًا قويًا على أن γ-N2 يتبنى بنية P21/c أحادية الميل تحتوي على جزيئين نيتروجين في كل وحدة خلية. تؤكد النتيجة تنبؤًا نظريًا طويل الأمد وتوضح بنية المرحلة التي يبدو أنها تشغل قدرًا أكبر بكثير من ضغط النيتروجين ونطاق درجة الحرارة مما كان يعتقده العلماء من قبل.

حل اللغز الهيكلي الصعب

وقاد الدراسة البروفيسور شياودي ليو من معهد خفي لفيزياء الحالة الصلبة في معاهد خفي للعلوم الفيزيائية بالأكاديمية الصينية للعلوم. وعمل الفريق مع باحثين من جامعة إدنبرة ومؤسسات دولية أخرى. ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في مجلة المادة والإشعاع في أقصى الحدود.

لقد كان تحديد بنية γ-N2 أمرًا صعبًا بشكل غير معتاد، لأنه لا يمكن بسهولة زراعة الطور كبلورة مفردة عالية الجودة. وبدلاً من ذلك، غالبًا ما يتكون على شكل مسحوق رديء الجودة، مما يجعل التحليل الهيكلي القياسي أقل حسمًا.

للتغلب على هذه المشكلة، قام الباحثون بدمج حيود الأشعة السينية السنكروترونية، ومطيافية رامان، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء، وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية. وقد سمح الاتفاق بين هذه الأساليب للفريق بتمييز هيكل P21/c عن العديد من النماذج المنافسة.

تأثير النظائر غير المتوقع

كشفت قياسات رامان السابقة عن إشارة اهتزازية إضافية بدت غير متوافقة مع البنية المقترحة. وأظهرت الدراسة الجديدة أن الإشارة لم تأت من ترتيب بلوري مختلف.

وبدلاً من ذلك، تم ربطه بعدد صغير من جزيئات النيتروجين التي تحتوي على نظير النيتروجين 15 النادر. ومع زيادة الضغط، اقترب هذا الاهتزاز الأضعف من اهتزاز أقوى من جزيئات النيتروجين العادية، مما تسبب في تفاعل الإشارتين. ووصف الباحثون التأثير بأنه رنين يشبه فيرمي.

ووجد الفريق أيضًا أن γ-N2 يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمرحلة صلبة أخرى، θ-N2. المرحلتان لهما توقيعات رامان مماثلة وترتيبات جزيئية ذات صلة، على الرغم من أنهما يتشكلان تحت ظروف ضغط ودرجة حرارة مختلفة جدًا.

المرجع: “إعادة النظر في الخصائص الهيكلية والبصرية لـ γ-N2” بقلم جينوي يان، وهاي آن شو، وبو وانغ، ولويس ج. كونواي، ووان شو، وتشوان شنغ هو، وزيمينغ تشي، وشياو دي ليو، ويوجين جريجوريانز، 13 مايو 2026، المادة والإشعاع في النهايات.
دوى: 10.1063/5.0315313

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.