Neue Strukturen der Elemente durch Simulation vorhergesagt

Das Verhalten der Elemente – und somit ihre chemischen Eigenschaften – verändert sich wesentlich unter Druck. Die üblicherweise inerten Elemente Platinum und Xenon werden sehr reaktiv, Kalium wird ein Übergangsmetall, während Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel zu Supraleitern werden. Hoher Druck ist deshalb ein Weg zu neuen Materialien mit exotischen Strukturen und Eigenschaften, anhand welcher das Verständnis der chemischen Bindung zwischen Atomen zu vertieft werden kann. Experimente bei hohem Druck sind jedoch sehr schwierig und erlauben oft nicht die Bestimmung der gesuchten Struktur. Artem R. Oganov und Colin W. Glass vom Laboratorium für Kristallographie der ETH Zürich wenden nun stattdessen eine von ihnen entwickelten Simulationsmethode namens USPEX an und untersuchen damit Elemente unter hohem Druck. Die Resultate dieser Studien veröffentlichen die ETH-Wissenschaftler im „Journal of Chemical Physics“. Die verwendete Simulationsmethode vermag – ausgehend nur von der chemischen Zusammensetzung und basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik – die Struktur eines Materials unter gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen vorauszusagen.

Wasserstoff – komplexes Verhalten des einfachsten Elements

Wasserstoff ist das meistvertretene Element des Universums. Die Positionierung im Periodensystem ist jedoch unklar – es kann sowohl zu den Alkalimetallen als auch zu den Halogenen gesetzt werden. Die Metallisierung von Wasserstoff unter hohem Druck wird für die Erklärung der magnetischen Felder der Planeten Jupiter und Saturn herangezogen. Es wird vermutet, dass metallischer Wasserstoff bis hin zu Rekordtemperaturen (womöglich 300 ?C) ein Supraleiter ist. Die Struktur von Wasserstoff unter hohem Druck ist jedoch nicht bekannt. Weiter wird vermutet, dass bei 3.5 Mbar eine Transformation zu molekularem Metall und bei ~5 Mbar zu nichtmolekularem Metall stattfindet. Nun sagen Oganov und Glass voraus, dass der molekulare Zustand mindestens bis zu 6 Mbar erhalten bleibt. Im Vergleich dazu: Das chemisch viel stärker gebundene Stickstoffmolekül zerfällt bei dem viel geringeren Druck von ~0.5 Mbar. Dies rückt Wasserstoff näher zu den Halogenen als zu den Alkalimetallen.

Einzigartige Strukturen von rotem und schwarzem Sauerstoff gefunden

Unter Druck ändert sich der physikalische Zustand von Sauerstoff dramatisch – von hellblauem, metallischem Material wird es zuerst tiefrot und nichtmetallisch um danach, bei noch höherem Druck, zu einem schwarzen Supraleiter. Mit Hilfe ihrer neuen Methode USPEX haben die ETH-Wissenschaftler die einzigartigen Strukturen von rotem und schwarzem Sauerstoff identifiziert. Sauerstoff behält seine O2-Moleküle bei, es bilden sich jedoch schwache intermolekulare Bindungen, wodurch exotische Molekülketten und andere molekulare Zusammenschlüsse (z.B. Paare) zustande kommen.

Technologisch interessante Materialien

Kohlenstoff ist bekannt für die Vielseitigkeit seiner chemischen Verbindungen. Die Spannbreite von Eigenschaften verschiedener Strukturen von Kohlenstoff, z.B. Graphit, Diamant oder Fullerene, ist bemerkenswert. Nun gelang es den beiden ETH-Wissenschaftlern, mehrere neue Strukturen von Kohlenstoff voraus¬zusagen. Von speziellem Interesse sind zwei, die gewissermassen ein Hybrid zwischen Graphit- und Diamantstruktur sind, und deren physikalische Eigenschaften wohl einzigartig sind. Wie Fullerene bräuchten diese Strukturen spezielle Syntheseverfahren, könnten aber für technische Anwendungen von grossem Wert sein.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Juniausgabe des „Journal of Chemical Physics“ publiziert: Oganov A.R., Glass C.W. (2006). Crystal structure prediction using evolutionary techniques: principles and applications. J. Chem. Phys. 124, Ausgabe 24.

Weitere Informationen:
Colin W. Glass
ETH Zürich
Laboratorium für Kristallographie
Telefon +41 (0)44 632 37 44
Mobile +41 (0)78 743 40 89
E-Mail colin.glass@mat.ethz.ch
Prof. Artem R. Oganov
ETH Zürich
Laboratorium für Kristallographie
Telefon +41 (0)44 632 37 52
E-Mail a.oganov@mat.ethz.ch