论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaba9206
石墨烯是由碳原子构成的一种基于石墨结构的层状二维材料，自诞生以来就受到了广泛的关注，而氮在元素周期表上紧邻着碳，是否可能存在一种类似石墨烯的纯氮的二维材料呢？如果仔细检查与氮同主族的VA族元素，磷、砷、锑、铋等单质，它们均具有一种类石墨的同素异形体，但和石墨不同的是这些原子不在同一平面上，呈现一种褶层结构，如图1A所示。磷烯就是由这种褶层结构的磷的同素异形体黑磷所衍生出的新型VA族二维材料。因其具有优异的电学及光学性能，在半导体器件领域应用前景广阔，成为了二维材料中的新宠。如果氮也可以形成褶层结构的同素异形体，那么合成类似石墨烯的二维氮烯也将成为可能。
根据通常的经验，在高压下一个元素能够形成元素周期表中与其同主族的下一个相邻同元素所具有的结构。氮作为VA族的第一个元素，其同主族的下一个元素恰恰是磷。理论计算的确预测氮在高压条件下可能会形成褶层结构的黑磷氮。然而由于常压下氮分子拥有极强的化学键，相对于VA主族的其它单质，氮转化为褶层结构的难度非常高，即使在高达百万大气压（一百万大气压=100 GPa）的极端条件下。因此，褶层聚合氮是否可以存在仍然是一个未解之谜。
另外值得一提的是，褶层聚合氮中的氮原子之间是以单键相连接，由于单键与氮分子中的三键之间存在巨大的键能差，当转化成氮气时能够释放出巨大的能量。褶层聚合氮具有能量密度高、重量轻、产物为氮气（无污染）等特点，是一种梦寐以求的高能密度材料。
“正如黑磷，白磷，红磷同属于磷的同素异形体，它们之间存在较小的能量差别，因而白磷和红磷均可在一定条件下转化为黑磷。褶层聚合氮虽然在理论计算中并非氮能量最低的同素异形体，但我们认为其仍然有可能以亚稳态的形式在极端条件下合成，类似于极端条件下将石墨转化为钻石”，该工作的共同通讯作者缑慧阳研究员解释到。“同时我们的分子动力学模拟显示当温度升高时，褶层聚合氮趋于更加稳定，这预示着通过超高压高温实验合成褶层聚合氮的可能性”，该工作的另一位共同通讯作者姚延荪教授补充道。
图1. A、C、D、E来自该工作[C. Ji, et al., Science Advances, 6, eaba9206 (2020)].B来自Boehler, Materials Today,34, 42 (2005).
该团队利用对顶的金刚石（如图1所示）在纯氮样品上产生了超过一百万大气压的压强，使用激光将样品加热至近数千摄氏度。研究人员在120至190 GPa的压力区间内对褶层聚合氮的合成进行了深入的探索，在150万大气压和2200 K的极端条件下，首次合成了褶层聚合氮。利用先进的超高压单晶X射线衍射技术（图1A）以及微区拉曼光谱原位测量（图1B）并结合理论计算，确认了褶层聚合氮的晶体结构。并使用基于纳米聚焦X射线束的X射线衍射衬度成像技术对物相的分布进行了解析（图1E）。近一步使用X射线衍射和拉曼光谱测量了褶层聚合氮的晶体结构和光学特性随压力的演变，符合褶层结构所具有的各向异性特征。通过理论计算，阐述了拉曼光谱中观察到的异常光谱特性与褶层结构中的各向异性之间的关联性，以及褶层聚合氮长期以来难以合成的内在原因。不过褶层聚合氮在卸压过程中将转化回氮气，欲将褶层聚合氮稳定至常压条件仍需展开进一步的研究。
“褶层聚合氮的发现充分展现了极端条件下基础科研的魅力”，毛河光院士总结道，“利用极端条件在实验上验证一种理论上预测的先进材料存在的可能性，为将来在常温条件下通过其他方式制备出这种高性能材料提供依据并打下坚实的基础”。
该研究工作得到了国家自然科学基金委（项目批准号：U1930401）和加拿大自然科学和工程研究理事会（NSERC）的科研项目资助。
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