Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rekord in der Hochdruckforschung erzeugt bisher unbekannte Materiezustände

25.08.2015

Bei einem Kompressionsdruck von mehr als 770 Gigapascal – dem höchsten Druck, der bisher im Labor erzeugt wurde – ändert sich das Elektronenverhalten in Osmium, dem Element mit der höchsten bekannten Massendichte, auf eine äußerst ungewöhnliche Weise. Kernelektronen, die normalerweise passiv sind, treten miteinander in Wechselwirkung. Darüber berichtet eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky an der Universität Bayreuth im Forschungsmagazin „Nature“. Der jetzt erstmals beobachtete Effekt lässt vermuten, dass unter extremen Drücken weitere, bisher unbekannte Materiezustände entstehen könnten.

Die neuen Erkenntnisse, an denen in Deutschland auch Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg mitgewirkt haben, können das Verständnis von Strukturen und Prozessen in extrem komprimierter Materie weiter voranbringen und das Design hochbelastbarer Funktionsmaterialien fördern. Sie können zudem die Astrophysik bei der Modellierung des Inneren von großen Planeten und Sternen unterstützen.


Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky in Bayreuth an einem Mikromanipulator, mit dem Proben für die Untersuchung in zweistufigen Diamantstempelzellen vorbereitet werden.

Foto: Pressestelle Universität Bayreuth

Osmium unter Hochdruck

Osmium ist ein Platinmetall, das in der Erdkruste sehr selten vorkommt und sich durch eine außerordentliche Härte auszeichnet. In keinem anderen chemischen Element ist das Verhältnis von Masse zu Volumen derart hoch. Und kein anderes Element ist so widerstandsfähig gegenüber Kompressionsdrücken.

Eine internationale Forschungsgruppe aus Deutschland, Frankreich, Schweden, den Niederlanden und den USA hat Eigenschaften und Strukturen dieses ungewöhnlichen Metalls jetzt erstmals bei stetig steigenden Drücken analysiert. Zweistufige Diamantstempelzellen machten es möglich, den Druck auf eine Rekordhöhe von mehr als 770 Gigapascal zu steigern. In keinem anderen Labor der Welt wurde bisher bei Raumtemperatur ein derart hoher Kompressionsdruck erzielt – mehr als doppelt so hoch wie der Druck, der im inneren Erdkern herrscht.

Prof. Dubrovinskaia und Prof. Dubrovinsky in Bayreuth haben die Forschungsarbeiten koordiniert. Erst vor wenigen Jahren wurden von ihnen die leistungsstarken Stempelzellen entwickelt. Diese enthalten zwei Stempel aus Nanodiamanten, deren halbrunde Köpfe einander exakt gegenüber liegen. Dazwischen wird die Materialprobe platziert. Die Stempel haben jeweils einen Durchmesser von rund 10 bis 20 Mikrometern, also zwischen 0,01 bis 0,02 Millimetern. Aufgrund der winzigen Korngröße der Nanodiamanten, die unterhalb von 50 Nanometern liegt, sind sie extrem belastbar.

Ein bisher unbekannter Effekt:
Extremer Druck beeinflusst das Verhalten von Elektronen

Während der enormen Steigerung des Kompressionsdrucks blieb die hexagonale Grundstruktur des Osmiums durchweg erhalten. Bei rund 150 Gigapascal aber trat erstmals eine Anomalie im Aufbau der kristallinen Elementarzellen auf. Diese Strukturänderung ließ sich mit bekannten physikalischen Vorgängen erklären. Doch eine weitere Anomalie, die in den Elementarzellen bei etwa 440 Gigapascal beobachtet werden konnte, überraschte die Forscher. „Hier führen konventionelle Erklärungen nicht weiter. Vielmehr sieht es so aus, als ob die Strukturänderung durch bisher unbekannte Verhaltensweisen der Kernelektronen verursacht wird“, erklärt Prof. Dubrovinskaia.

Kernelektronen befinden sich in unmittelbarer Nähe der Atomkerne und sind an chemischen Bindungen nicht beteiligt. Dies unterscheidet sie von den sogenannten Valenzelektronen, die von den Atomkernen deutlich weiter entfernt sind. Valenzelektronen lösen sich von der räumlichen Zugehörigkeit zu ihren jeweiligen Atomen und bilden ‚elektronische Bänder‘, so dass chemische Bindungen zwischen verschiedenen Atomen entstehen. Unter den hohen, stetig ansteigenden Kompressionsdrücken bleiben die Kernelektronen aber nicht länger in ihren ursprünglichen, klar unterscheidbaren Zuständen. Sie beginnen miteinander zu interagieren – und zwar, wie theoretische Berechnungen zeigen, bei 392 Gigaspascal. „Die Strukturänderungen des Osmiums, die wir bei rund 440 Gigapascal im Experiment beobachtet haben, lassen sich daher mit Interaktionen der Kernelektronen gut erklären“, so Prof. Dubrovinskaia.

Eine vielversprechende Richtung der Materialforschung

Die Autoren des „Nature“-Beitrags schlagen für die sehr ungewöhnlichen Interaktionen der Kernelektronen, deren Zustände dabei ineinander übergehen, die Bezeichnung „Core Level Crossing Transition“ vor. „Hier eröffnet sich ein vielversprechendes Gebiet für weitere Untersuchungen“, meint Prof. Dubrovinsky. „Denn wenn extrem hohe Drücke imstande sind, sogar in einem innerlich sehr stabilen Metall wie Osmium ein neuartiges Elektronenverhalten auszulösen und so die Materialstrukturen zu ändern, lassen sich möglicherweise noch andere bisher unbekannte Materiezustände erzeugen. Nicht zuletzt deshalb ist die Hochdruckforschung, wie wir sie hier an der Universität Bayreuth betreiben, ein vielversprechender Forschungszweig“, fügt der Bayreuther Wissenschaftler hinzu. Er hält es für durchaus möglich, dass die dabei gewonnenen Erkenntnisse bei der Entwicklung neuer, für Extrembedingungen geeigneter Funktionsmaterialien genutzt werden können.

Die neuen Forschungsergebnisse belegen die Bedeutung internationaler Kooperationen in der Materialwissenschaft. Denn an den Strukturuntersuchungen der Osmium-Proben waren drei der weltweit leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger beteiligt: das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble und die Advanced Photon Source (APS) am Argonne National Laboratory in Chicago.

Veröffentlichung:

Leonid Dubrovinsky, Natalia Dubrovinskaia, et al., The Most Incompressible Metal Osmium at Static Pressures above 750 GPa,
Nature 2015, 24 August 2015 (Advance Online Publication), DOI: 10.1038/nature14681

Kontakt (vorzugsweise per E-Mail):

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

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

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Plättchen statt Kügelchen machen Bildschirme sparsam
20.01.2020 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Miniatur-Doppelverglasung: Wärmeisolierendes und gleichzeitig wärmeleitendes Material entwickelt
17.01.2020 | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: New roles found for Huntington's disease protein

Crucial role in synapse formation could be new avenue toward treatment

A Duke University research team has identified a new function of a gene called huntingtin, a mutation of which underlies the progressive neurodegenerative...

Im Focus: A new look at 'strange metals'

For years, a new synthesis method has been developed at TU Wien (Vienna) to unlock the secrets of "strange metals". Now a breakthrough has been achieved. The results have been published in "Science".

Superconductors allow electrical current to flow without any resistance - but only below a certain critical temperature. Many materials have to be cooled down...

Im Focus: DKMS-Studie zum Erfolg von Stammzelltransplantationen

Den möglichen Einfluss von Killerzell-Immunoglobulin-ähnlichen Rezeptoren (KIR) auf den Erfolg von Stammzelltransplantationen hat jetzt ein interdisziplinäres Forscherteam der DKMS untersucht. Das Ergebnis: Bei 2222 Patient-Spender-Paaren mit bestimmten KIR-HLA-Kombinationen konnten die Wissenschaftler keine signifikanten Auswirkungen feststellen. Jetzt wollen die Forscher weitere KIR-HLA-Kombinationen in den Blick nehmen – denn dieser Forschungsansatz könnte künftig Leben retten.

Die DKMS ist bekannt als Stammzellspenderdatei, die zum Ziel hat, Blutkrebspatienten eine zweite Chance auf Leben zu ermöglichen. Auch auf der...

Im Focus: Gendefekt bei Zellbaustein Aktin sorgt für massive Entwicklungsstörungen

Europäische Union fördert Forschungsprojekt „PredActin“ mit 1,2 Millionen Euro

Aktin ist ein wichtiges Strukturprotein in unserem Körper. Als Hauptbestandteil des Zellgerüstes sorgt es etwa dafür, dass unsere Zellen eine stabile Form...

Im Focus: Programmable nests for cells

KIT researchers develop novel composites of DNA, silica particles, and carbon nanotubes -- Properties can be tailored to various applications

Using DNA, smallest silica particles, and carbon nanotubes, researchers of Karlsruhe Institute of Technology (KIT) developed novel programmable materials....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung befasst sich mit der Zukunft der Mobilität

22.01.2020 | Veranstaltungen

ENERGIE – Wende. Wandel. Wissen.

22.01.2020 | Veranstaltungen

KIT im Rathaus: Städte und Wetterextreme

21.01.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lass uns eine Zelle bauen

22.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Messtechnische Unterstützung für chirurgische Eingriffe

22.01.2020 | Medizintechnik

Naturstoffe gegen Fibrose und diastolische Herzschwäche entdeckt

22.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics