Entschlüsselung der exotischen Chemie von Hochdruck-Stickstoffverbindungen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Natalia Dubrovinskaia, seit 2/2022
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456543021

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Stickstoffverbindungen gehören zu den interessantesten Festkörpersystemen der heutigen Materialforschung und zeigen eine faszinierende Vielfalt an elektronischen und mechanischen Eigenschaften. Monoatomare Verbindungen des Stickstoffs offenbaren eine der höchsten bekannten Energiedichten und extrem starke N-N Bindungskräfte. Trotz der hervorragenden Eignung als technologische Zukunftsmaterialien sind Stickstoffverbindungen eher exotisch und zählen nur 4% aller bekannten Festkörper in der ICSD Datenbank. Eine Herstellung dieser Verbindungen durch standardisierte Syntheseverfahren ist weitestgehend nicht möglich aufgrund der hohen Stabilität der kovalenten Bindung der N2 Moleküle. Die Entwicklung neuartiger Herstellungsmethoden führt jedoch zur Entdeckung vieler neuer Stickstoffbasierter Festkörper. Diese Entwicklungen sind auf neuartige Hochdrucksyntheseverfahren zurückzuführen, die es ermöglichen neue chemische Prozesse und physikalische Phänomene zu entdecken. Durch Hochdruckuntersuchungen stickstoffhaltiger Verbindungen mit (Erd-) Alkali- und Übergangsmetallen ist es gelungen eine erste Generation neuartiger Stickstoffverbindungen zu synthetisieren. Die durch hohe Drücke hervorgerufene Bildung anionischer Stickstoffdimere ([N2]x-), polydiazenediyls ([N4]2-), cis-tetranitrogens ([N4]4-) und pentazolates ([N5]-) veranschaulicht die Vielfältigkeit stickstoffbasierter chemischer Hochdruckverbindungen. Um so mehr erstaunlich ist, dass, mit Ausnahme des polydiazenediyls, alle Vielfachstickstoffe nach der Synthese bei hohen Drücken und Tempertaturen auch unter Normalbedingungen stabil bleiben, was das technologische Potenzial dieser Verbindungen weiter verstärkt. Ziel dieses Forschungsprojekts war die Untersuchung des Hochdruckverhaltens von Stickstoff in Verbindung mit ausgewählten Elementen, die Synthese neuer Materialien, die unter hohen Drücken bislang noch nicht beobachtet wurden, sowie die Erforschung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• High-Pressure Synthesis of Dirac Materials: Layered van der Waals Bonded BeN₄ Polymorph. Physical Review Letters, 126(17).
  Bykov, Maxim; Fedotenko, Timofey; Chariton, Stella; Laniel, Dominique; Glazyrin, Konstantin; Hanfland, Michael; Smith, Jesse S.; Prakapenka, Vitali B.; Mahmood, Mohammad F.; Goncharov, Alexander F.; Ponomareva, Alena V.; Tasnádi, Ferenc; Abrikosov, Alexei I.; Bin Masood, Talha; Hotz, Ingrid; Rudenko, Alexander N.; Katsnelson, Mikhail I.; Dubrovinskaia, Natalia; Dubrovinsky, Leonid & Abrikosov, Igor A.
  
• High-Pressure Synthesis of the β-Zn3N2 Nitride and the α-ZnN4 and β-ZnN4 Polynitrogen Compounds. Inorganic Chemistry, 60(19), 14594-14601.
  Laniel, Dominique; Aslandukova, Alena A.; Aslandukov, Andrey N.; Fedotenko, Timofey; Chariton, Stella; Glazyrin, Konstantin; Prakapenka, Vitali B.; Dubrovinsky, Leonid S. & Dubrovinskaia, Natalia
  
• High-Pressure Yttrium Nitride, Y5N14, Featuring Three Distinct Types of Nitrogen Dimers. The Journal of Physical Chemistry C, 125(32), 18077-18084.
  Aslandukov, Andrey; Aslandukova, Alena; Laniel, Dominique; Koemets, Iuliia; Fedotenko, Timofey; Yuan, Liang; Steinle-Neumann, Gerd; Glazyrin, Konstantin; Hanfland, Michael; Dubrovinsky, Leonid & Dubrovinskaia, Natalia
  
• Anionic N18 Macrocycles and a Polynitrogen Double Helix in Novel Yttrium Polynitrides YN6 and Y2N11 at 100 GPa. Angewandte Chemie International Edition, 61(34).
  Aslandukov, Andrey; Trybel, Florian; Aslandukova, Alena; Laniel, Dominique; Fedotenko, Timofey; Khandarkhaeva, Saiana; Aprilis, Georgios; Giacobbe, Carlotta; Lawrence Bright, Eleanor; Abrikosov, Igor A.; Dubrovinsky, Leonid & Dubrovinskaia, Natalia
  
• Domain Auto Finder (DAFi) program: the analysis of single-crystal X-ray diffraction data from polycrystalline samples. Journal of Applied Crystallography, 55(5), 1383-1391.
  Aslandukov, Andrey; Aslandukov, Matvii; Dubrovinskaia, Natalia & Dubrovinsky, Leonid
  
• High-pressure Na₃(N₂)₄, Ca₃(N₂)₄, Sr₃(N₂)₄, and Ba(N₂)₃ featuring nitrogen dimers with noninteger charges and anion-driven metallicity. Physical Review Materials, 6(2).
  Laniel, Dominique; Winkler, Bjoern; Fedotenko, Timofey; Aslandukova, Alena; Aslandukov, Andrey; Vogel, Sebastian; Meier, Thomas; Bykov, Maxim; Chariton, Stella; Glazyrin, Konstantin; Milman, Victor; Prakapenka, Vitali; Schnick, Wolfgang; Dubrovinsky, Leonid & Dubrovinskaia, Natalia
  
• Revealing Phosphorus Nitrides up to the Megabar Regime: Synthesis of α′‐P3N5, δ‐P3N5 and PN2. Chemistry – A European Journal, 28(62).
  Laniel, Dominique; Trybel, Florian; Néri, Adrien; Yin, Yuqing; Aslandukov, Andrey; Fedotenko, Timofey; Khandarkhaeva, Saiana; Tasnádi, Ferenc; Chariton, Stella; Giacobbe, Carlotta; Bright, Eleanor Lawrence; Hanfland, Michael; Prakapenka, Vitali; Schnick, Wolfgang; Abrikosov, Igor A.; Dubrovinsky, Leonid & Dubrovinskaia, Natalia
  
• Aromatic hexazine [N6]4− anion featured in the complex structure of the high-pressure potassium nitrogen compound K9N56. Nature Chemistry, 15(5), 641-646.
  Laniel, Dominique; Trybel, Florian; Yin, Yuqing; Fedotenko, Timofey; Khandarkhaeva, Saiana; Aslandukov, Andrey; Aprilis, Georgios; Abrikosov, Alexei I.; Bin Masood, Talha; Giacobbe, Carlotta; Bright, Eleanor Lawrence; Glazyrin, Konstantin; Hanfland, Michael; Wright, Jonathan; Hotz, Ingrid; Abrikosov, Igor A.; Dubrovinsky, Leonid & Dubrovinskaia, Natalia
  
• Stabilization Of The CN35− Anion In Recoverable High‐pressure Ln3O2(CN3) (Ln=La, Eu, Gd, Tb, Ho, Yb) Oxoguanidinates. Angewandte Chemie International Edition, 62(47).
  Aslandukov, Andrey; Jurzick, Pascal L.; Bykov, Maxim; Aslandukova, Alena; Chanyshev, Artem; Laniel, Dominique; Yin, Yuqing; Akbar, Fariia I.; Khandarkhaeva, Saiana; Fedotenko, Timofey; Glazyrin, Konstantin; Chariton, Stella; Prakapenka, Vitali; Wilhelm, Fabrice; Rogalev, Andrei; Comboni, Davide; Hanfland, Michael; Dubrovinskaia, Natalia & Dubrovinsky, Leonid
  
• Structure determination of ζ-N2 from single-crystal X-ray diffraction and theoretical suggestion for the formation of amorphous nitrogen. Nature Communications, 14(1).
  Laniel, Dominique; Trybel, Florian; Aslandukov, Andrey; Spender, James; Ranieri, Umbertoluca; Fedotenko, Timofey; Glazyrin, Konstantin; Bright, Eleanor Lawrence; Chariton, Stella; Prakapenka, Vitali B.; Abrikosov, Igor A.; Dubrovinsky, Leonid & Dubrovinskaia, Natalia
  
• Synthesis of Ultra‐Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN4 Tetrahedra. Advanced Materials, 36(3).
  Laniel, Dominique; Trybel, Florian; Aslandukov, Andrey; Khandarkhaeva, Saiana; Fedotenko, Timofey; Yin, Yuqing; Miyajima, Nobuyoshi; Tasnádi, Ferenc; Ponomareva, Alena V.; Jena, Nityasagar; Akbar, Fariia Iasmin; Winkler, Bjoern; Néri, Adrien; Chariton, Stella; Prakapenka, Vitali; Milman, Victor; Schnick, Wolfgang; Rudenko, Alexander N.; Katsnelson, Mikhail I. ... & Dubrovinskaia, Natalia
  
• Diverse high-pressure chemistry in Y-NH 3 BH 3 and Y–paraffin oil systems. Science Advances, 10(11).
  Aslandukova, Alena; Aslandukov, Andrey; Laniel, Dominique; Yin, Yuqing; Akbar, Fariia Iasmin; Bykov, Maxim; Fedotenko, Timofey; Glazyrin, Konstantin; Pakhomova, Anna; Garbarino, Gaston; Bright, Eleanor Lawrence; Wright, Jonathan; Hanfland, Michael; Chariton, Stella; Prakapenka, Vitali; Dubrovinskaia, Natalia & Dubrovinsky, Leonid
  
• Stabilization of N6 and N8 anionic units and 2D polynitrogen layers in high-pressure scandium polynitrides. Nature Communications, 15(1).
  Aslandukov, Andrey; Aslandukova, Alena; Laniel, Dominique; Khandarkhaeva, Saiana; Yin, Yuqing; Akbar, Fariia I.; Chariton, Stella; Prakapenka, Vitali; Bright, Eleanor Lawrence; Giacobbe, Carlotta; Wright, Jonathan; Comboni, Davide; Hanfland, Michael; Dubrovinskaia, Natalia & Dubrovinsky, Leonid
  
• Synthesis of LaCN3, TbCN3, CeCN5, and TbCN5 Polycarbonitrides at Megabar Pressures. Journal of the American Chemical Society, 146(26), 18161-18171.
  Aslandukov, Andrey; Liang, Akun; Ehn, Amanda; Trybel, Florian; Yin, Yuqing; Aslandukova, Alena; Akbar, Fariia I.; Ranieri, Umbertoluca; Spender, James; Howie, Ross T.; Bright, Eleanor Lawrence; Wright, Jonathan; Hanfland, Michael; Garbarino, Gaston; Mezouar, Mohamed; Fedotenko, Timofey; Abrikosov, Igor A.; Dubrovinskaia, Natalia; Dubrovinsky, Leonid & Laniel, Dominique