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 seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456543021

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. Aufgrund der Tatsache, dass bis heute ausschließlich anionische Vielfachstickstoffe synthetisiert werden konnten, lässt die Vermutung offen, dass diese ersten Hochdruckuntersuchungen nur einen kleinen Teil der reichhaltigen N-Chemie identifizieren konnten. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist eine Untersuchung des Hochdruckverhaltens des Stickstoffes mit den Pniktogenen As und Sb, mit dem Chalkogen O sowie mit dem Halogen F. Die gewählten Elemente gelten als vielversprechende Kandidaten für die Ausbildung stickstoffbasierter homoatomarer Kationen (im Fall von O und F) sowie kovalent gebundener heteroatomarer Spezies (As und Sb), welche unter hohen Drücken bisher noch nicht beobachtet werden konnten. Die Ziele dieses experimentellen Forschungsprojektes sind 1) die Erforschung der stickstoffbasierten Hochdruckchemie in Verbindung mit den Elementen As, Sb, O und F mit dem Ziel der Synthese neuartiger homo- und heteroatomarer Stickstoffspezies; 2) Untersuchung der atomaren und elektronischen Struktur der hergestellten Verbindungen; 3) Formulierung kristallochemischer Prinzipien, die deren Synthese begünstigen; und 4) Verlinkung Kristallstruktur mit den elektronischen Eigenschaft der hergestellten N-Verbindungen in Hinblick auf das Design zukünftiger technologisch wertvoller Materialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Dominique Laniel, bis 1/2022