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Unter Hochdruck

Verfahren ermöglicht Erkenntnisse über das Innere von Planeten

Davon konnte Jules Verne nicht einmal träumen: Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat gemeinsam mit internationalen Partnern, darunter Wissenschaftler vom Department für Chemie der Universität zu Köln, die Grenzen der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung in kosmische Dimensionen ausgeweitet. Erstmals ist es gelungen, Materialien unter Kompressionsdrücken von mehr als einem Terapascal (1.000 Gigapascal) zu erzeugen und zeitgleich zu analysieren. Solche extrem hohen Drücke herrschen beispielsweise im Mittelpunkt des Planeten Uranus, sie sind mehr als dreimal so hoch wie der Druck im Zentrum der Erde. In „Nature“ stellen die Forscher:innen das von ihnen entwickelte Verfahren zur Synthese und Strukturanalyse neuartiger Materialien vor.

Theoretische Modelle sagen sehr ungewöhnliche Strukturen und Eigenschaften von Materialien unter extremen Druck-Temperatur-Bedingungen voraus. Doch bisher ließen sich diese Vorhersagen nicht in Experimenten bei Kompressionsdrücken von mehr als 200 Gigapascal verifizieren. Zum einen sind komplexe technische Voraussetzungen nötig, um Materialproben derart extremen Drücken auszusetzen, zum anderen fehlten ausgereifte Methoden für zeitgleiche störungsfreie Strukturanalysen. Die in „Nature“ veröffentlichten Experimente eröffnen daher völlig neue Dimensionen für die Hochdruckkristallographie: Im Labor können jetzt Materialien erzeugt und erforscht werden, die – wenn überhaupt – in den Weiten des Universums nur unter extrem hohen Drücken existieren.

„Das von uns entwickelte Verfahren versetzt uns erstmals in die Lage, neue Materialstrukturen im Terapascal-Bereich zu synthetisieren und in situ – das heißt: noch während des laufenden Experiments – zu analysieren. Auf diese Weise lernen wir bisher unbekannte Zustände, Eigenschaften und Strukturen von Kristallen kennen und können generell unser Verständnis von Materie bedeutend vertiefen. Für die Erforschung terrestrischer Planeten und die Synthese von Funktionsmaterialien, die in innovativen Technologien zur Anwendung kommen, lassen sich dadurch wertvolle Einsichten gewinnen“, erklärt Professor Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth, der Erstautor der Veröffentlichung.

In ihrer Studie zeigen die Forscher:innen, wie sie mit Hilfe des neu entwickelten Verfahrens neuartige Rheniumverbindungen erzeugt und in situ sichtbar gemacht haben. Es handelt sich dabei um ein neuartiges Rhenium-Nitrid (Re7N3) und eine Rhenium-Stickstoff-Legierung. In einer mit Laserstrahlen beheizten zweistufigen Diamantstempelzelle wurden diese Materialien unter extremen Drücken synthetisiert. Die Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung ermöglichte eine vollständige chemische und strukturelle Charakterisierung.

„Das Rhenium-Stickstoff-System steckt voller chemischer Überraschungen. Es erregte bereits vor einigen Jahren unsere Aufmerksamkeit, als wir eine ungewöhnliche poröse Verbindung ReN10 bei einem Druck von einer Million Atmosphären sowie einen superharten metallischen Leiter ReN2 herstellten, der selbst einer extrem hohen Kompression standhalten konnte. Die Synthese bei einem Terapascal ermöglichte es uns schließlich, ein vollständiges Bild der chemischen Umwandlungen zu erhalten, die im Re-N-System unter extremen Bedingungen stattfinden können“, so Dr. Maxim Bykov vom Institut für Anorganische Chemie der Universität zu Köln.

„Wenn wir künftig die Hochdruckkristallographie sogar im Terapascal-Bereich anwenden, werden wir in dieser Richtung möglicherweise weitere überraschende Entdeckungen machen. Die Türen für eine kreative Materialforschung, die unter extremen Drücken unerwartete Strukturen erzeugt und sichtbar macht, stehen jetzt weit offen“, sagt die zweite Hauptautorin der Studie, Professorin Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth.

An den in „Nature“ veröffentlichten Forschungsarbeiten waren zusammen mit dem Bayerischen Geoinstitut (BGI) und dem Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth zahlreiche weitere Forschungspartner beteiligt: die Universität zu Köln, die Universität Linköping, das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, die European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble sowie das Center for Advanced Radiation Sources an der Universität Chicago.