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- 고압에서 고리와 이중 나선의 형태로 특이한 화합물 형성
- 두 개의 고압 질화물은 질소가 오랫동안 생각했던 것보다 더 다양한 구조를 형성할 수 있음을 보여준다.

새로운 질소 구조 생성
원소는 고압에서 고리와 이중 나선의 형태로 특이한 화합물을 형성한다.

놀랍도록 다재다능:
화학자들이 독특하고 새로운 구조를 가진 질소 화합물을 만드는 데 성공했다. 희토류 금속 이트륨과 함께 이 원소는 고압에서 별 모양의 고리와 나선 사슬을 형성하고 함께 이중 나선을 형성한다. 따라서 고압 조건에서 질소는 결합 유형이 정상 조건에서 탄소 원소만큼 가변적임이 입증됐다. 이는 새로운 적용 가능성을 열어준다. 

▲ 고압에서 질소는 별 모양의 고리와 이중 나선을 형성할 수 있다. © Andrii Aslandukov

자연에서 질소는 몇 가지 결합 변형에서만 발생한다. 원소는 우선적으로 삼중 결합으로 들어가 외부 껍질을 완성하므로 에너지적으로 유리하고 특히 안정적이다. 이것의 전형적인 예는 분해하기 어려운 대기에서 발견되는 질소 분자(N2)다. 질화규소 및 질화붕소와 ​​같은 화합물에서 질소는 매우 안정하고 단단한 고체를 형성한다. 질화붕소는 다이아몬드만큼 단단하다.

그러나 질소는 다른 방식으로 작동할 수 있다. 고압과 열을 가하면 질소가 작동한다. 이미 2021년에 화학자들은 질소와 베릴륨으로부터 새로운 2D 구조를 만드는 데 성공했다.

압력을 받는 질소 및 이트륨

Bayreuth 대학의 Andrey Aslandukov가 이끄는 팀은 이제 두 가지 새로운 유형의 질소 화합물을 더 발견했다. 그들의 실험을 위해 그들은 다이아몬드 스탬프 셀에서 분자 질소와 희토류 금속 이트륨의 혼합물을 최대 100기가파스칼의 압력에 노출시켰다. 이는 지구 대기압의 약 백만 배다. 동시에 그들은 샘플을 약 섭씨 2,700도까지 가열했다.

이러한 조건에서 이트륨과 질소 원자 사이에 화학 반응이 일어나 이트륨 질화물 YN₆과 Y2N11이 생성됐다. 화학자들은 단결정 X선 회절을 사용해 이러한 질화물이 특이한 분자 구조를 나타낸다는 것을 발견했다. 질소 원자는 서로 공유결합을 형성했으며, 그 사이에 이트륨 원자가 포함되었다.

▲ 실험 세부 사항. a) 샘플 챔버의 현미경 사진. b) 가열된 샘플 내에서 2개의 질화 이트륨 상의 분포를 보여주는  2D X선 회절 지도. 색상 강도는 다음 반사 강도에 비례한다. 파란색 영역에 대한 YN6의 (2 0 0), (0 2 0) 및 (1 1 -2); 녹색 영역에 대한 Y2N11의 (1 0 1), (2 -1 0) 및 (2 -1 4). c) 100 GPa에서 레이저로 가열된 샘플에서 수집된 X선 회절 패턴의 예. (출처: 관련논문 Anionic N18 Macrocycles and a Polynitrogen Double Helix in Novel Yttrium Polynitrides YN6 and Y2N11 at 100 GPa)

별 모양의 고리와 이중 나선

놀라운 것은 새로운 질화물의 질소 원자가 이전에 실험적으로 관찰되거나 이론적 계산으로 예측되지 않은 고리 모양 및 나선 모양의 결정 구조를 형성한다는 것이다. 이트륨 질화물 YN6에서 결정은 거대고리라고도 알려진 별 모양의 질소 원자 고리를 포함한다. 각각의 경우 중심 이트륨 원자는 18개의 질소 원자로 이루어진 고리로 둘러싸여 있다.

새로운 Y2N11 결정의 구조는 훨씬 더 이례적이다.
두 개의 나선형으로 감긴 질소 원자 사슬이 함께 이중 나선을 형성한다. 이는 우리 DNA의 구조와 유사하다. 아슬란두코브(Aslandukov)와 그의 동료들은 "이러한 무기 이중 나선은 화학에서 극히 드물다"고 설명했다.

▲ 3000 K에서 레이저 가열 하에 100 GPa에서 이트륨과 분자 질소 사이의 반응은 두 개의 새로운 화합물, YN6 및 Y2N11을 생성한다. 이들의 결정 구조는 각각 음이온성 N18 거대고리 및 다중질소 이중 나선과 같은 질소 원자의 독특한 구성을 특징으로 한다. (출처: 관련논문 Anionic N18 Macrocycles and a Polynitrogen Double Helix in Novel Yttrium Polynitrides YN6 and Y2N11 at 100 GPa / Angewandte Chemie)

탄소와 같은 다양성의 가능성

두 개의 고압 질화물은 질소가 오랫동안 생각했던 것보다 더 다양한 구조를 형성할 수 있음을 보여준다. 동시에, 새로운 질화물은 탄소가 정상적인 조건에서 형성하는 많은 전형적인 구조와 유사하다. "고리 및 나선 탄소 화합물은 유기 화학에서 중심적으로 중요하다"라고 Aslandukov는 설명한다. "Y2N11의 고압 합성은 질소가 이러한 구조 단위를 형성할 가능성이 있다는 추가 증거다.“

새로운 다질화물(Polynitride)의 발견은 이제 그러한 특이한 질소 화합물의 전체 부류로 가는 길을 열 수 있다. "고압 연구에서 우리는 오늘날에도 여전히 상상할 수 없는 구조적 다양성을 갖는 다질화물을 합성하는 것과 멀지 않을 수 있다"라고 바이로이트 대학의 나탈리아 두브로빈스카이아가 말했다. "이것은 고압의 유기 질소 화학이라는 새로운 화학 분야의 시작이 될 것dl다.“
(Angewandte Chemie International Edition, 2022, doi: 10.1002/anie.202207469)
출처: Universität Bayreuth / 바이로이트 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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