Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue chemische Bindungen in Hochdruck-Bor-Kristallen entdeckt

10.06.2011
Die Welt der chemischen Bindungen ist noch immer für Überraschungen gut. In Bor- Kristallen, die im Hochdruck-Laboratorium des Bayerischen Geoinstituts (BGI) hergestellt wurden, hat ein Forschungsteam der Universität Bayreuth chemische Bindungen entdeckt, die in Bor-haltigen Materialien bisher unbekannt waren.

Über diese Erkenntnisse, die aus einer Zusammenarbeit mit der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble und der schwedischen Universität Linköping hervorgegangen sind, berichten die Bayreuther Wissenschaftler in den „Physical Review Letters“. Unter extremen Drücken synthetisierte Bor-Kristalle besitzen als Halbleitermaterialien hochinteressante Eigenschaften.


Das Gradientenbild der Elektronendichte zeigt einen Ausschnitt aus einem Bor-Kristall, das unter hohem Druck synthetisiert wurde. Die Zentren B1, B4 und B5 markieren die Positionen von Bor-Atomen. Die blauen Punkte zwischen B1 und B4 stehen für ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen. Die drei blauen Punkte, welche B4-B4-B5 verbinden, stehen zusammen mit dem grünen Punkt in der Mitte von B4-B4-B5 für eine zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindung.

Hochdruck-Synthese von Einkristallen für die Bor-Forschung

Bor ist ein chemisches Element, das hinsichtlich seiner Strukturen weniger gut erforscht ist als andere chemische Elemente. Insbesondere die chemischen Bindungen, die zwischen Bor-Atomen bestehen, sind längst nicht vollständig aufgeklärt. Denn moderne Untersuchungsverfahren mit Synchrotron-Röntgenstrahlung, die grundsätzlich über die Lage der Elektronen und über die Art der chemischen Bindungen in einem Material Aufschluss geben können, ließen sich lange Zeit auf das leichte Element Bor (B) nicht anwenden.

Um diese Verfahren für die Untersuchung von Bor einsetzen zu können, benötigt die Forschung möglichst hochwertige Einkristalle. Einkristalle eines Materials sind dadurch charakterisiert, dass sich die Atome in eine einheitliche Gitterstruktur einfügen. Sie gelten in der Forschung als qualitativ hochwertig, wenn keine oder allenfalls geringfügige Abweichungen von der Gitterstruktur vorkommen. Hochwertige Einkristalle, die sich aus Bor-Atomen zusammensetzen, entstehen aber nur unter technisch äußerst anspruchsvollen Bedingungen und waren deshalb für die Forschung lange Zeit nicht verfügbar. Und so blieben die chemischen Bindungen in Bor-haltigen Materialien weitgehend unzugänglich.

Erst vor zwei Jahren hat ein Forschungsteam der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky ein zuverlässiges Verfahren entwickeln können, das es ermöglicht, Bor-Kristalle unter hohen Drücken zu synthetisieren. Für diese aufwändigen Arbeiten bildeten die europaweit einzigartigen Technologien der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung im Bayerischen Geoinstitut, einem Forschungszentrum der Universität Bayreuth, eine leistungsstarke Infrastruktur. Mit dem neuen Verfahren ist es gelungen, qualitativ hochwertige Einkristalle zu züchten. Darin sind Ikosaeder, die jeweils aus 12 Bor-Atomen bestehen, in einer durchweg einheitlichen und stabilen Gitterstruktur angeordnet.

Diese Einkristalle wurden mit Synchrotronstrahlung analysiert, d.h. mit einer intensiven Röntgenstrahlung, die im Teilchenbeschleuniger zu Forschungszwecken gezielt erzeugt wird. Die Arbeiten standen unter der Leitung von Prof. Dr. Sander van Smaalen, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Kristallographie innehat, und Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia, die vor kurzem in Bayreuth eine Heisenberg-Professur für Materialphysik und Technologie bei extremen Bedingungen übernommen hat. Das Bayreuther Team arbeitete eng mit der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (ESRF) zusammen, einer der größten Synchrotronstrahlenquellen in Europa. Die hier durch Röntgenbeugung gewonnenen Daten wurden mit speziellen Rechenprogrammen in sog. Gradientenbilder übersetzt. Gradientenbilder geben Auskunft über die Lage und die unterschiedliche Elektronendichte der in einem Material. Sie ermöglichen zuverlässige Rückschlüsse auf die Position und die Stabilität von chemischen Bindungen, die zwischen den Atomen bestehen.

Auswertung von Gradientenbildern

Gemeinsam mit einer Arbeitsgruppe für Theoretische Physik an der Universität Linköping haben die Bayreuther Hochdruckforscher die Gradientenbilder ausgewertet, die bei der Analyse der Hochdruck-Bor-Kristalle entstanden waren. Dabei entdeckten sie zwei Arten von chemischen Bindungen, von denen man bisher nicht wusste, dass sie innerhalb eines Bor-Kristalls existieren können. Physikalisch gesprochen, handelt es sich einerseits um ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen, die benachbarte ikosaedrische Bor-Cluster verbinden; andererseits um polar-kovalente zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindungen. Letzere werden gebildet zwischen einem Paar von Atomen aus einem ikosaedrischen Bor-Cluster und einem Atom der interstitiellen B2-Gruppe.

„Diese für uns überraschenden Erkenntnisse sind zunächst einmal für die Grundlagenforschung interessant“, erklärt Prof. Dr. Sander van Smalen. „Wir müssen aber mit der Möglichkeit rechnen, dass die unter extremen Drücken gebildeten Bor-Kristalle an Bedeutung für die Industrie gewinnen. Denn wenn sie für elektronische Geräte und Schaltungen als Halbleiter eingesetzt werden, besitzen sie einzigartige optische Eigenschaften und zeichnen sich durch eine überdurchschnittliche Härte aus. Für derartige industrielle Anwendungen können unsere Grundlagenforschungen in einer Weise relevant werden, die sich heute noch nicht absehen lässt.“

Die Bayreuther Forschungsarbeiten an Hochdruck-Bor-Kristallen und an Bor-verwandten Materialien werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen ihrer Schwerpunktprogramme 1236 („Strukturen und Eigenschaften von Kristallen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen) und 1178 („Experimentelle Elektronendichte als Schlüssel zum Verständnis chemischer Wechselwirkungen“) gefördert.

Veröffentlichung:

S. Mondal, S. van Smaalen, A. Schönleber, Y. Filinchuk, D. Chernyshov, S. I. Simak,
A. S. Mikhaylushkin, I. A. Abrikosov, E. Yu. Zarechnaya, L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia,
Electron deficient and polycenter bonds in the high-pressure γ-B28 phase of boron
in: Physical Review Letters, 106, 215502 (2011).
DOI-Bookmark (Link): 10.1103/PhysRevLett.106.215502
Ansprechpartner für weitere Informationen:
Prof. Dr. Sander van Smalen
Lehrstuhl für Kristallographie
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3886
E-Mail: smash@uni-bayreuth.de
Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia
Materialphysik und Technologie bei extremen Bedingungen
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3880
E-Mail: natalia.dubrovinskaia@uni-bayreuth.de
Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3736
E-Mail: leonid.dubrovinsky@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Designerviren stacheln Immunabwehr gegen Krebszellen an
26.05.2017 | Universität Basel

nachricht Wachstumsmechanismus der Pilze entschlüsselt
26.05.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften