Un gruppo di ricerca internazionale coordinato dall’Istituto di chimica dei composti organo-metallici del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Iccom) di Sesto Fiorentino (Firenze) e dal Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-Lineari (LENS), è riuscito a sintetizzare per la prima volta un composto la cui esistenza è stata a lungo ipotizzata, ma mai sperimentalmente osservata: il nitruro cristallino di antimonio con formula chimica Sb3N5. Il nuovo composto è stato scoperto attivando una reazione chimica diretta tra antimonio e azoto in condizioni di alta pressione e alta temperatura.
“I nitruri cristallini binari sono strutture solide ordinate composte da due elementi, uno dei quali è l’azoto. Sebbene siano noti da tempo nitruri cristallini di molti elementi della tavola periodica, i nitruri cristallini degli elementi del gruppo 15 – fosforo, arsenico, antimonio e bismuto – rappresentano una classe di composti “sfuggenti”: ad eccezione di alcune forme di nitruro di fosforo, ottenute mediante metodi chimici tradizionali e caratterizzate in modo convincente, la loro mancata osservazione è rimasta a lungo una questione aperta in chimica inorganica”, spiega Matteo Ceppatelli (Cnr-Iccom e LENS), tra gli autori dello studio. “Oggi, recenti studi sperimentali nel campo dell’alta pressione hanno aperto nuove prospettive, dimostrando la possibilità di indurre una reazione chimica diretta tra l’azoto e gli elementi più pesanti del gruppo 15 operando in condizioni di alta pressione e alta temperatura. Questo metodo di sintesi consente di ridurre le distanze interatomiche, grazie all’effetto dell’alta pressione, e di superare le barriere energetiche per l’attivazione della reazione grazie all’effetto dell’alta temperatura, favorendo percorsi di reazione che risultano altrimenti inaccessibili a pressione ambiente”. Negli ultimi anni, sfruttando l’effetto combinato di pressione e temperatura è stato infatti possibile sintetizzare e caratterizzare i primi nitruri cristallini di fosforo, arsenico e bismuto, ottenuti per reazione chimica diretta degli elementi.
In questo scenario, l’esistenza di un nitruro cristallino di antimonio, il quarto elemento del gruppo 15, sebbene a lungo cercata, non era mai stata fino ad ora riportata in modo conclusivo e convincente. Utilizzando celle ad incudine di diamante per generare condizioni di alta pressione (32 GPa, pari a circa 320.000 volte la pressione atmosferica) e radiazione laser nell’infrarosso per riscaldare il campione fino all’elevata temperatura necessaria (1600-2200 K), il gruppo di ricerca è riuscito ad attivare una reazione chimica diretta tra antimonio elementare e azoto molecolare che ha permesso di sintetizzare per la prima volta un nitruro cristallino di antimonio (Sb3N5), la cui struttura è stata determinata mediante diffrazione di raggi X da singolo cristallo presso il sincrotrone di ESRF (Grenoble, Francia), dove è possibile eseguire questo tipo di misure in condizioni estreme di pressione.
“Questo studio rappresenta una pietra miliare per quanto riguarda la chimica di azoto e antimonio, fornendo nuove informazioni di carattere chimico fondamentale sul comportamento dei nitruri cristallini degli elementi del gruppo 15”, aggiunge il ricercatore. “Inoltre, nonostante la scoperta di Sb3N5 sia essenzialmente riconducibile a ricerca di base, i risultati ottenuti aprono nuove prospettive per quanto riguarda la sintesi ad alta pressione di un’intera classe di materiali innovativi di interesse energetico e tecnologico, potenzialmente recuperabili a condizioni ambiente in forma stabile o metastabile, come materiali a cambiamento di fase, strutture a strati e materiali ad elevato contenuto di azoto e ad alta densità di energia”.
