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» » » Nuevos materiales por compresión del Nitrógeno

Los átomos de nitrógeno viajan en pares, unidos por uno de los más fuertes enlaces químicos de la naturaleza. Sometiendo las moléculas de nitrógeno a temperaturas y presiones extremas los científicos están consiguiendo entender no sólo al nitrógeno, sino a otras moléculas similares, incluido el hidrógeno.

En la actual edición en línea de la revista Physical Review Letters, los investigadores de Carnegie Institution's Geophysical Laboratory, informan de los cambios en la temperatura de fusión del nitrógeno sólido a presiones de hasta 120 gigapascals (más de un millón de atmósferas), y a temperaturas que alcanzan los 2.500° Kelvin (más de 4.000° Fahrenheit o 2.227 C°). Estos resultados, además de los cambios observados en la estructura del nitrógeno sólido a altas presiones, podría dar lugar a nuevos combustibles basados en nitrógeno, o hidrógeno, de alta energía en el futuro. Los hipotéticos polímeros de nitrógeno podrían formar materiales con mayor contenido energético que cualquier material no-nuclear conocido.

Alexander Goncharov, Viktor Struzhkin, y Russell Hemley de Carnegie, con Jonathan Crowhurst, del Lawrence Livermore National Laboratory, han comprimido nitrógeno líquido en un dispositivo conocido como 'célula yunque de diamante', que genera ultra-altas presiones, por ejemplo, entre dos diamantes de calidad. Dado que los diamantes son transparentes a la mayoría de longitudes de onda de la luz, la muestra tendrá que ser calentada por un láser durante el experimento. La técnica, llamada espectroscopia Raman, utiliza la luz emitida por la muestra sobrecalentada para analizar los cambios que se producen en su estructura molecular.

"Hasta ahora, nadie había hecho este tipo de observaciones in situ del nitrógeno, en tan extremas presiones y temperaturas", dice Goncharov. "Nuestras mediciones de la línea de fusión y de las propiedades de vibración del fluido, indicado por la espectroscopía Raman, nos da un panorama muy claro de cómo el nitrógeno y su enlace molecular responde en estas condiciones".

Un gráfico de las temperaturas y las presiones, en los cuales una sustancia cambia de una fase a otra (de líquido a gas, de una estructura de cristal a otra, y así sucesivamente), se llama un diagrama de fase. Para el nitrógeno, como para la mayoría de materiales, la alta temperatura y las regiones de presión del diagrama de fase son territorios relativamente inexplorados. Los investigadores esperan que estas regiones inexploradas puedan albergar nuevos materiales con propiedades útiles.

A temperatura ambiente y a presión atmosférica, el nitrógeno es un gas, pero puede ser comprimido y enfriado para formar un líquido o un sólido, dependiendo de la temperatura y la presión. A pesar de que los cambios de fase, sin embargo, el nitrógeno sigue siendo un átomo diatómico, de dos moléculas, que se mantiene junto por un fuerte y enérgico triple enlace.

"Los compuestos de nitrógeno tienden a ser materiales de alta densidad energética", comenta Goncharov. "El nitrógeno puro puede ser un poderoso combustible o un explosivo, si se averigua cómo asociar átomos de nitrógeno con cualquier otro material que tenga moléculas diatómicas con triple enlace. Experimentos recientes han demostrado que el nitrógeno se transforma a una fase no-molecular de enlace simple a muy alta presión. Esto podría servir como material de alta densidad de energía si se pudieran conservar así a presión ambiental. Nuestros resultados ayudarán a mostrar el camino para sintetizar estos materiales en condiciones menos extremas".

Colmar las lagunas existentes del diagrama de fase del nitrógeno tiene implicaciones para el estudio de otros materiales críticos, explica Goncharov "El nitrógeno es un arquetipo de molécula diatómica. El conocimiento de su diagrama de fase y otras propiedades da una pista sobre el comportamiento de otros elementos diatómicos, entre los que se encuentra el hidrógeno. Muchas transformaciones claves, y otros fenómenos, se producen en el nitrógeno a presiones mucho más bajas que en el hidrógeno". "El hidrógeno es un combustible para el futuro. Se ha teorizado que tiene fascinantes propiedades bajo altas presiones, incluida la transformación en estados superfluidos y superconductores metálicos. Que los materiales con estas propiedades pueden ser recuperados y estabilizados en una presión ambiental sigue siendo una cuestión pendiente. Pero con el nitrógeno estamos avanzando rápidamente".

Publicado en CSN el 17/09/2008
Fuente: Carnegie Institution for Science .

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