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Der mysteriöse feste Zustand von Stickstoff: Wie wurde dieses wissenschaftliche Rätsel 1884 gelöst?
Im Jahr 1884 beobachtete der Wissenschaftler Karol Olszewski zum ersten Mal festen Stickstoff, eine bedeutende Entdeckung, die das Geheimnis des Stickstoffs enthüllte. Die Untersuchung von festem Stickstoff erregt in der akademischen Gemeinschaft noch immer große Aufmerksamkeit, nicht nur wegen seiner Anwendung in der wissenschaftlichen Forschung, sondern auch, weil er eine wichtige Rolle bei der Zusammensetzung der Himmelskörper im äußeren Sonnensystem spielt.
Fester Stickstoff ist bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck ein wichtiger Bestandteil außerirdischer Körper; bei hohen Temperaturen und hohem Druck ist er ein starker Sprengstoff mit einer Energiedichte, die die anderer nichtnuklearer Materialien übersteigt.
Erzeugung von festem Stickstoff
Olszewskis experimentelle Methode ist recht einfach, aber sehr kreativ: Er verflüssigte zunächst Wasserstoff durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff und nutzte dann die niedrige Temperatur des flüssigen Wasserstoffs, um den Stickstoff abzukühlen und ihn fest zu machen. Mit diesem Verfahren gelang es ihm, die bis dahin niedrigste jemals gemessene Stickstofftemperatur von 48 K (ca. -225 °C) zu erreichen und damit einen Weltrekord aufzustellen. Bis heute folgt die Technologie zur Erzeugung von festem Stickstoff im Labor einem ähnlichen Prozess, bei dem flüssiger Stickstoff im Vakuum verdampft wird.
Existenz in der Natur
Fester Stickstoff ist in der Natur weit verbreitet und kann sogar auf der Oberfläche von Pluto und Neptuns Satelliten Triton gefunden werden. Fester Stickstoff wurde erstmals 2015 von der Raumsonde New Horizons am Pluto direkt beobachtet, während ein ähnliches Phänomen 1989 am Triton von Voyager 2 bestätigt wurde. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist fester Stickstoff relativ flüchtig und kann sublimieren und eine Atmosphäre bilden oder wieder zu Stickstofffrost kondensieren. Fester Stickstoff fließt bei geringerem Druck als andere Materialien und nimmt bei Ansammlung die Form eines Gletschers an, was die Menschen über die Eigenschaften von festem Stickstoff staunen lässt.
New Horizons beobachtete, wie Wassereis auf Plutos Oberfläche „schwebte“, und überraschte die Zuschauer mit dem Verhalten von festem Stickstoff.
Umwandlung und Eigenschaften von festem Stickstoff
Fester Stickstoff weist bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen unterschiedliche Eigenschaften auf. Bei normalem Atmosphärendruck beträgt der Schmelzpunkt von Stickstoff 63,23 K. Stickstoff ist ein Element, das in vielen festen Formen vorkommt, und die Eigenschaften dieser Formen, die unter hohem Druck schmelzen und sublimieren, waren Gegenstand umfangreicher Forschungen. Noch bemerkenswerter ist, dass fester Stickstoff unter hohem Druck eine erstaunliche Energiedichte aufweist, weshalb er im Bereich der Energiematerialien geschätzt wird.
Kristallstruktur von festem Stickstoff
Fester Distickstoff liegt bei Raumtemperatur und mittlerem Druck in Form von N2-Molekülen vor. Wenn die Temperatur unter 35,6 K fällt, kann Stickstoff in die α-Phase übergehen und bei einem Druck von 50 GPa mit der Polymerisation beginnen. Höhere Druckbedingungen fördern die Umwandlung von festem Stickstoff in Stickstoffkristalle mit unterschiedlichen Strukturen [wie etwa kubischer und hexagonaler Stickstoff]. Diese verschiedenen Kristallstrukturen weisen erhebliche Unterschiede sowohl hinsichtlich ihrer physikalischen als auch ihrer chemischen Eigenschaften auf.
Die Existenz von Stickstoff in fester Form hat großes Interesse hinsichtlich seiner Stabilität und Reaktivität in extremen Umgebungen, insbesondere auf außerirdischen Körpern, geweckt.
Anwendungen und Zukunftsaussichten
Die Eigenschaften von festem Stickstoff machen ihn zu einer wichtigen Richtung für zukünftige Forschung, insbesondere bei der Anwendung von Energiematerialien und der Vertiefung der theoretischen Physik. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie könnte fester Stickstoff eine Schlüsselrolle in der Weltraumforschung oder anderen wissenschaftlichen und technologischen Bereichen spielen. Wissenschaftler erforschen ständig die Vielfalt von festem Stickstoff und seine potenziellen Anwendungen und hoffen, dass dieses scheinbar gewöhnliche Element in der zukünftigen wissenschaftlichen Forschung außergewöhnliche Leistungen zeigen kann.
Welchen Einfluss wird die Forschung an festem Stickstoff auf unser Verständnis und unsere Anwendung von Materie in der Zukunft haben?
