معمای ۵۰ ساله «نیتروژن جامد» بالاخره حل شد؛ گامی بزرگ در فیزیک مواد

یه گزارش آذرنگارنده:

نیتروژن، گازی که بخش عمده جو زمین را تشکیل می‌دهد، وقتی تحت فشار شدید و دمای بسیار پایین قرار می‌گیرد، به یک جامد با ساختارهای پیچیده و مرموز تبدیل می‌شود. یکی از این ساختارها، فاز $\gamma$-N۲_۲۲​ است که بیش از ۵۰ سال به‌عنوان یک چالش بزرگ در علم مواد باقی مانده بود و علی‌رغم مطالعات نظری و تجربی فراوان، ساختار دقیق آن ناشناخته بود.

اکنون تیمی از پژوهشگران به سرپرستی پروفسور شیائودی لیو از مؤسسه فیزیک حالت جامد هفی (در آکادمی علوم چین)، با همکاری دانشگاه ادینبرو و دیگر نهادهای بین‌المللی، توانسته‌اند با ارائه شواهد مستدل، این معمای دیرینه را حل کنند. یافته‌های آن‌ها که در نشریه Matter and Radiation at Extremes منتشر شده، نشان می‌دهد که $\gamma$-N۲_۲۲​ دارای ساختار کریستالی تک‌شیب (monoclinic) با گروه فضایی P2۱_۱۱​/c است که در هر سلول واحد آن، دو مولکول نیتروژن قرار دارد.

چرا این معما تا این حد دشوار بود؟

تعیین ساختار این فاز نیتروژن به دلیل یک مشکل فنی کلیدی دشوار بود: این ماده به سختی به شکل کریستال‌های باکیفیت و بزرگ رشد می‌کند و معمولاً به صورت «پودر» با کیفیت پایین شکل می‌گیرد که تحلیل‌های ساختاری استاندارد را با مشکل مواجه می‌کند.

پژوهشگران برای عبور از این بن‌بست، رویکردی ترکیبی را پیش گرفتند. آن‌ها از مجموعه‌ای از فناوری‌های پیشرفته شامل پراش پرتو ایکس سینکروترون، طیف‌سنجی رامان، طیف‌سنجی فروسرخ و محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) استفاده کردند. همگرایی نتایج حاصل از این روش‌های متنوع، تیم تحقیق را قادر ساخت تا ساختار P2۱_۱۱​/c را از میان مدل‌های رقیب شناسایی و تأیید کنند.

یک اثر ایزوتوپی غافلگیرکننده

یکی از نکات جالب این مطالعه، حل یک چالش در داده‌های قدیمی بود. در اندازه‌گیری‌های قبلی با روش رامان، یک سیگنال ارتعاشی اضافی دیده می‌شد که با ساختارهای پیشنهادی همخوانی نداشت و دانشمندان را گمراه کرده بود. این مطالعه جدید نشان داد که این سیگنال ناشی از نقص در ساختار کریستالی نیست، بلکه به حضور مقدار کمی از ایزوتوپ نادر نیتروژن-۱۵ مربوط می‌شود. با افزایش فشار، این ارتعاش ضعیف با ارتعاش اصلی نیتروژن معمولی تداخل پیدا کرده و یک اثر رزونانس (شبیه رزونانس فرمی) ایجاد می‌کرد که اکنون برای دانشمندان کاملاً قابل توضیح است.

این کشف نه تنها یک سؤال ۵۰ ساله را پاسخ داد، بلکه نشان داد که فاز $\gamma$-N۲_۲۲​ در بازه گسترده‌تری از فشار و دما نسبت به آنچه تصور می‌شد، در منظومه نیتروژن جامد حضور دارد. این یافته‌ها درک ما را از رفتار ماده تحت شرایط حدی (Extremes) عمیق‌تر می‌کند.

منبع:

Revisiting the structural and optical properties of γ-N2

Jinwei Yan et al., Matter and Radiation at Extremes, ۱۳ May 2026.

DOI: 10.1063/5.0315313