Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kohlendioxid unter Druck bildet neue Materialien: RUB-Chemiker untersuchen CO2 im virtuellen Labor

25.03.2009
PNAS: Bindungseigenschaften ändern sich abrupt

Kohlendioxid ist in Gasform ein wichtiger Bestandteil der. Unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen zeigen die wohlbekannten Moleküle allerdings ganz andere Seiten.

So bilden sich zum Beispiel bei hohem Druck Festkörper mit geordneter Molekülstruktur aus. Dieses Verhalten studierten Chemiker aus Bochum, Kanada, Italien, der Slovakei und den USA gemeinsam im virtuellen Labor und entdeckten Festkörper mit interessanten physikalischen Eigenschaften wie etwa "Superhärte".

Die Forscher um Dr. Jian Sun, der zurzeit als Humboldt-Stipendiat am Lehrstuhl für Theoretische Chemie (Prof. Dr. Dominik Marx) arbeitet, berichten in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

Trockeneis und superharte Struktur

Bei Atmosphärendruck und normalen Temperaturen liegt Kohlendioxid als Gas vor. Bei hohem Druck allerdings kann Kohlendioxid fest werden. In diesem Zustand, als molekularer Kristall, ist es zumeist als "Trockeneis" bekannt, das zum Beispiel bei der Lebensmittelproduktion und -lagerung, als künstlicher Nebel auf der Bühne und als künstlicher Regen zum Einsatz kommt. Für die Forscher viel interessanter ist aber das Verhalten von Kohlendioxid bei steigenden Drücken und unterschiedlichen Temperaturen. Unter diesen Bedingungen verändern sich die Interaktionen zwischen den einzelnen Molekülen dramatisch, was zu verschiedenen Polymer-Kristallstrukturen führt, die interessante physikalische Eigenschaften haben, etwa "superhart" sind. Daher ist Kohlendioxid in den letzten zehn Jahren zum "hot Topic" der internationalen Forschung geworden.

Computersimulation wirft neues Licht auf experimentelle Ergebnisse

Einer internationalen Forschergruppe ist es jetzt gelungen, neue Einsichten in dieses Forschungsfeld zu gewinnen. Sie nutzten dazu eine neuartige Computersimulation ("metadynamics") in Kombination mit quantenmechanischen Berechnungen. So fanden sie heraus, dass sich ein molekularer Festkörper namens CO2-II bei 60 GPa (1 GPa = etwa 10.000 Atmosphären) und 600 Kelvin (ca. 327°C) in eine geschichtete Polymerstruktur verwandelt. Die gute Übereinstimmung ihrer Berechnungen mit der Röntgenstrukturanalyse und anderen experimentellen Daten führte die Forscher außerdem zu neuen Interpretationen älterer experimenteller Ergebnisse. So nehmen sie an, dass die kürzlich experimentell entdeckte dichte Phase VI, die sie zunächst für eine ungeordnete Struktur gehalten hatten, statt dessen das Ergebnis einer unvollständigen Umwandlung der molekularen Phase in die geschichtete Polymerstruktur ist. Zusätzlich konnten sie voraussagen, dass eine neue, Kristobalit-artige CO2-Form wie sie in Kieselerde zu finden ist, über einen Zwischenzustand bei 80 GPa und Temperaturen unter Raumtemperatur aus CO2-III gebildet wird. Defekte im Kristall werden mit steigenden Temperaturen häufiger. Bei Temperaturen über Raumtemperatur nimmt CO2 schließlich amorphe Formen an wie auch schon in früheren Experimenten beobachtet wurde.

Unbekannte Umwandlungsprozesse enthüllt

Diese Ergebnisse aus molekulardynamischen Computersimulationen enthüllen bislang unbekannte mikroskopische Umwandlungsprozesse und zeigen die Verwandlung eines molekularen Festkörpers, in dem es nur intra-molekulare Bindungen gibt, in eine Polymerstruktur. Die Umwandlungen finden bei Drücken statt, die natürlicherweise im Erdmantel vorkommen, wo große Mengen oxidierten Kohlenstoffs vorliegen, entweder als Karbonate oder in flüssiger Form. Die starken und abrupten Veränderungen der Bindungseigenschaften von CO2 sehen die Forscher in ihrer Arbeit als ein Hinweis auf mögliche Unregelmäßigkeiten der Kohlenstoffchemie im Erdmantel.

Titelaufnahme

Jian Sun, Dennis D. Klug, Roman Martonak, Javier Antonio Montoya, Mal-Soon Lee, Sandro Scandolo and Erio Tosatti: High-pressure polymeric phases of carbon dioxide. In: PNAS early edition, http://www.pnas.org_cgi_doi_10.1073_pnas.0812624106

Weitere Informationen

Dr. Jian Sun, Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-22121, E-Mail: jian.sun@theochem.ruhr-uni-bochum.de

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://www.pnas.org_cgi_doi_10.1073_pnas.0812624106

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden neue Ansätze gegen Wirkstoffresistenzen in der Tumortherapie
15.12.2017 | Universität Leipzig

nachricht Moos verdoppelte mehrmals sein Genom
15.12.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik