Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rekord in der Hochdruckforschung: 1 Terapascal erstmals erreicht und überschritten

21.07.2016

Einem internationalen Forschungsteam um Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky von der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, im Labor einen Druck von 1 Terapascal (= 1.000.000.000.000 Pascal) zu erzeugen. Dieser Druck ist dreimal höher als der Druck, der im Zentrum der Erde herrscht. Die in 'Science Advances' veröffentlichte Studie eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten für die Physik und Chemie der Festkörper, die Materialwissenschaft, die Geophysik und die Astrophysik.

Extreme Drücke und Temperaturen, die im Labor mit hoher Präzision erzeugt und kontrolliert werden, sind ideale Voraussetzungen für die Physik, Chemie und Materialforschung. Sie ermöglichen es, Strukturen und Eigenschaften von Materialien aufzuklären, neue Materialien für industrielle Anwendungen zu synthetisieren, neue Materiezustände zu entdecken, zu einem vertieften Verständnis von Materie vorzudringen und damit beispielsweise Einblicke in den Aufbau und die Dynamik der Erde sowie anderer Planeten zu gewinnen. Daher besteht weltweit ein starkes Forschungsinteresse daran, die im Labor erzeugten und für Materialanalysen genutzten Drücke immer weiter zu steigern.


Nachdem ein kugelförmiger nanokristalliner Diamant in zwei Halbkugeln getrennt worden ist, werden die Halbkugeln für den Einsatz in einer doppelseitigen Diamantstempelzelle vorbereitet.

Elektronenmikroskopische Aufnahme: Leonid Dubrovinsky und Natalia Dubrovinskaia; zur Veröffentlichung frei.

Als ‚magische Grenze‘ galt bisher die Marke von 1 Terapascal (= 1.000.000.000.000 Pascal). Das sind 1 Billion Pascal, im Englischen: 1 trillion pascal. Dieser Druck ist dreimal höher als der Druck, der im Zentrum der Erde herrscht. Zum Vergleich: Dieser Druck würde auf einer Fingerspitze lasten, wenn man darauf 100 Exemplare des Eiffelturms übereinander stapeln könnte.

Eben diese Grenze hat ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky von der Universität Bayreuth jetzt erstmals erreicht und überschritten. Wie den Wissenschaftlern dieser Rekord gelungen ist, darüber berichten sie im Forschungsmagazin ‚Science Advances‘.

Internationale Forschungskooperation

An der jetzt veröffentlichten Studie waren zusammen mit dem Bayerischen Geoinstitut (BGI) und dem Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth zahlreiche weitere Forschungspartner beteiligt: das Center for Advanced Radiation Sources an der Universität Chicago, die European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, die Universität Antwerpen, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie die Baltische Föderale Immanuel-Kant-Universität in Kaliningrad. Entscheidende Experimente wurden von den Bayreuther Wissenschaftlern am Argonne National Laboratory, einem Forschungsinstitut des US-Energieministeriums in Chicago, durchgeführt.

Im Labor synthetisiert: Superharte Diamant-Kugeln

Es sind kugelförmige nanokristalline Diamanten, mit denen jetzt die Tür in eine neue Dimension der Materialforschung aufgestoßen wurde. Wissenschaftler an der Universität Bayreuth hatten die durchsichtigen Kugeln, die einen Durchmesser zwischen 10 und 20 Mikrometern aufweisen, im Labor synthetisiert. Wie sich herausstellte, besitzen sie aufgrund ihres einzigartigen Gefüges eine ganz ungewöhnliche Druckfestigkeit. Sie erweisen sich als höchst widerstandsfähig, wenn äußere Drücke auf sie einwirken.

Diese Eigenschaft haben die Mitglieder der Forschungsgruppe mit dem Ziel genutzt, für materialwissenschaftliche Experimente einen Druck von mehr als 1 Terapascal zu erzeugen. Mit einer Ionenfeinstrahlanlage haben sie die superharten Diamant-Kugeln zunächst in zwei Halbkugeln getrennt. Diese Hälften wurden anschließend in einer doppelseitigen Diamantstempelzelle installiert. Während die dazwischen eingezwängten Materialproben steigenden Drücken ausgesetzt waren, wurden sie an der Elektronensynchrotron-Anlage in Chicago mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Die Beugungsmuster, die aus diesen technologisch sehr anspruchsvollen Untersuchungen hervorgingen, brachten es an den Tag: Die Grenze von 1 Terapascal war erreicht und überschritten.

In der Diamantstempelzelle: Materialproben unter Höchstdruck

Diamantstempelzellen als solche kommen in der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung schon seit langem zum Einsatz: Dabei wird die Probe des zu untersuchenden Materials zwischen zwei Diamanten platziert. Diese Diamanten pressen die Materialprobe aus entgegensetzten Richtungen zusammen, wobei Drücke bis zu etwa 250 Gigapascal entstehen können.

Am Bayerischen Geoinstitut (BGI) und am Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth wurde diese Forschungstechnik schon vor wenigen Jahren entscheidend weiterentwickelt. Die hier konstruierten doppelseitigen Diamantstempelzellen ermöglichen die Erzeugung von viel höheren Drücken. Denn in diesen Zellen wird auf jedem der beiden Diamanten ein halber nanokristalliner Diamant befestigt. Die Köpfe dieser Halbkugeln stehen exakt einander gegenüber. So können sie die extremen Drücke, die von außen seitens der größeren Diamanten auf sie ausgeübt werden, an die zwischen ihnen befindliche Materialprobe weitergeben – und zwar ohne dabei zerstört zu werden.

Die Pointe dieses zweistufigen Verfahrens liegt darin, dass der an die Materialprobe weitergegebene Druck vervielfacht wird. Denn die Köpfe der Halbkugeln, welche die Materialprobe berühren, haben eine wesentlich kleinere Fläche als ihre kreisförmigen Unterflächen, mit denen sie an den größeren Diamanten befestigt sind.

Eine wesentliche Ursache für die Druckfestigkeit von nanokristallinen Diamanten ist ihre Korngröße. Bei den nanokristallinen Diamanten, mit denen in zweistufigen Zellen jetzt erstmals ein Kompressionsdruck von mehr als 1 Terapascal erzeugt werden konnte, liegt sie zwischen 2 und 15 Nanometern.

Untersuchungen auch an flüssigen oder gasförmigen Proben

Die jetzt veröffentlichten Forschungsergebnisse eröffnen aber nicht allein wegen der Überschreitung von 1 Terapascal neue Möglichkeiten für die physikalische, chemische und geowissenschaftliche Materialforschung. Spezielle Dichtungen, welche die Wissenschaftler in den doppelseitigen Diamantstempelzellen installiert haben, bilden wesentliche Voraussetzungen dafür, dass nicht nur Festkörper, sondern auch Materialproben in ursprünglich flüssigem oder gasförmigem Zustand bei Drücken von über 1 Terapascal analysiert werden können.

Weitere Forschungsperspektiven

„Wir freuen uns sehr darüber, dass es uns zusammen mit unseren Forschungspartnern gelungen ist, die internationale Hochdruck- und Hochtemperaturforschung in dieser Weise voranzubringen“, erklärt Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia. Die jetzt veröffentlichten Forschungsergebnisse seien für zahlreiche Forschungszweige von erheblicher Relevanz, insbesondere für die Physik und Chemie der Festkörper, die Materialwissenschaft, die Geophysik und die Astrophysik. Ebenso könne die Industrie davon profitieren, beispielsweise wenn es um die Entwicklung neuer Wasserstofftechnologien oder hochleistungsfähiger Supraleiter geht.

Vom 4. bis 9. September 2016 wird die European High Pressure Research Group (EHPRG), die europäische Fachgesellschaft für Hochdruckforschung, an der Universität Bayreuth zu ihrer 54. Jahrestagung zusammenkommen. „Auch hier werden die neuen Forschungsmöglichkeiten natürlich ein Thema sein“, so Prof. Dubrovinskaia.

Forschungsförderung

In Deutschland wurden die Forschungsarbeiten von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie als Projekt der Verbundforschung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Projekte der Verbundforschung beziehen Universitäten in die Entwicklung und den Aufbau innovativer Methoden und Instrumente für große Forschungseinrichtungen ein. Dadurch wird es möglich, die herausragenden Kompetenzen von Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen zu verknüpfen und durch Synergie-Effekte weiter zu stärken.

Weitere Bilder in hoher Auflösung zum Download

http://www.uni-bayreuth.de/de/universitaet/presse/pressemitteilungen/2016/116-re...

Veröffentlichung

Natalia Dubrovinskaia, Leonid Dubrovinsky et al.,
Terapascal Static Pressure Generation with Ultrahigh Yield Strength Nanodiamond,
Science Advances, 20 July 2016.
DOI: 10.1126/sciadv.1600341

Kontakte

Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia
Laboratorium für Kristallographie
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Natalia.Dubrovinskaia@uni-bayreuth.de
Telefon: +49 (0)921-55 3880 oder 3881

Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de
Telefon: +49 (0)921-55 3736 oder 3707

Christian Wißler | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenmechanik ist komplex genug – vorerst …
21.04.2017 | Universität Wien

nachricht Tief im Inneren von M87
20.04.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung