Wie im Zentrum des Planeten Uranus: Wie sich Materialien unter extremem Druck verhalten

Nov 17, 2023

Von der Universität Bayreuth, 29. Dezember 2022

Strukturen und Eigenschaften von Materialien bei extrem hohen Drücken und Temperaturen liegen noch weitgehend auf „Terra incognita“. Prof. Leonid Dubrovinsky und seine Forschungspartner nutzen eine von ihnen konstruierte laserbeheizte zweistufige Diamantstempelzelle für die Synthese von Materialien im Terapascal-Bereich (1000 Gigapascal). Zur gleichzeitigen strukturellen Charakterisierung der Materialien wird die In-situ-Einkristall-Röntgenbeugung eingesetzt. Bildnachweis: Timofey Fedotenko

Neue Methode ermöglicht erstmals Materialsyntheseforschung und -studie im Terapascal-Bereich.

Jules Verne could not have dreamed of this: A research team from the University of Bayreuth, together with international partners including scientists from the University of Cologne’s Department of Chemistry, has pushed the boundaries of high-pressure and high-temperature research into cosmic dimensions. They succeeded in generating and simultaneously analyzing materials under compression pressures of more than one terapascal (1,000 gigapascals) for the first time. Such extremely high pressures prevail, for example, at the center of the planet UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Uranus; sie sind mehr als dreimal höher als der Druck im Erdmittelpunkt. Im Fachmagazin „Nature“ stellen die Forscher die von ihnen entwickelte Methode zur Synthese und Strukturanalyse neuartiger Materialien vor.

Theoretische Modelle sagen sehr ungewöhnliche Strukturen und Eigenschaften von Materialien unter extremen Druck-Temperatur-Bedingungen voraus. Doch bisher konnten diese Vorhersagen in Experimenten bei Kompressionsdrücken von mehr als 200 Gigapascal nicht verifiziert werden. Einerseits sind komplexe technische Anforderungen notwendig, um Materialproben solch extremen Drücken auszusetzen, andererseits fehlten ausgefeilte Methoden für simultane Strukturanalysen. Die in „Nature“ veröffentlichten Experimente eröffnen der Hochdruckkristallographie damit völlig neue Dimensionen: Im Labor können nun Materialien erzeugt und untersucht werden, die – wenn überhaupt – nur unter extrem hohen Drücken in den Weiten des Universums existieren.

„Die von uns entwickelte Methode ermöglicht es uns erstmals, neue Materialstrukturen im Terapascal-Bereich zu synthetisieren und in situ – also noch während des Experiments – zu analysieren. Auf diese Weise lernen wir bisher unbekannte Zustände, Eigenschaften und Strukturen von Kristallen kennen und können unser Verständnis der Materie im Allgemeinen deutlich vertiefen. „Es können wertvolle Erkenntnisse für die Erforschung terrestrischer Planeten und die Synthese funktionaler Materialien für innovative Technologien gewonnen werden“, so Professor Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Forschungsinstitut für Experimentelle Geochemie und Geophysik (BGI) der Universität Bayreuth, der Erstautor der Veröffentlichung.

In their study, the researchers show how they have generated and visualized in situ novel rhenium compounds using the now-developed method. The compounds in question are a novel rhenium nitride (Re7N3) and a rhenium-nitrogen alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Legierung. Diese Materialien wurden unter extremen Drücken in einer zweistufigen, mit Laserstrahlen beheizten Diamant-Ambosszelle synthetisiert. Die Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung ermöglichte eine vollständige chemische und strukturelle Charakterisierung.

„Das Rhenium-Stickstoff-System steckt voller chemischer Überraschungen. Es erregte unsere Aufmerksamkeit vor einigen Jahren, als wir eine ungewöhnliche poröse Verbindung ReN10 bei einem Druck von einer Million Atmosphären sowie einen superharten metallischen Leiter ReN2 herstellten, der selbst extrem hoher Kompression standhalten konnte. Die Synthese bei einem Terapascal ermöglichte es uns endlich, ein vollständiges Bild der chemischen Umwandlungen zu erhalten, die im Re-N-System unter extremen Bedingungen stattfinden können“, sagte Dr. Maxim Bykov vom Institut für Anorganische Chemie der Universität zu Köln.

„Wenn wir in Zukunft die Hochdruckkristallographie im Terapascal-Bereich anwenden, können wir möglicherweise weitere überraschende Entdeckungen in dieser Richtung machen. Die Türen stehen jetzt weit offen für kreative Materialforschung, die unter extremen Drücken unerwartete Strukturen erzeugt und visualisiert“, sagte die andere Hauptautorin der Studie, Professorin Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth.

Referenz: „Synthesis of Materials at Therapeutic Static Pressures“ von Leonid Dubrovinsky, Saiana Khandarkhaeva, Timofey Fedotenko, Dominique Laniel, Maxim Bykov, Carlotta Giacobbe, Eleanor Lawrence Bright, Pavel Sedmak, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Alena V. Ponomareva, Ekaterina A . Smirnova, Maxim P. Belov, Ferenc Tasnadi, Nina Shulumba, Florian Trybel, Igor A. Abrikosov und Natalia Dubrovinskaia, 11. Mai 2022, Nature.DOI: 10.1038/s41586-022-04550-2

Together with the Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry and Geophysics (BGI) and the Laboratory of Crystallography at the University of Bayreuth, numerous other research partners were involved in the research work published in Nature: the University of Cologne, the University of Linköping, the German Electron Synchrotron DESYCommonly abbreviated as DESY, the Deutsches Elektronen-Synchrotron (English German Electron Synchrotron) is a national research center in Germany that operates particle accelerators used to investigate the structure of matter. It is a member of the Helmholtz Association and operates at sites in Hamburg and Zeuthen. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DESY in Hamburg, the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble and the Center for Advanced Radiation Sources at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universität von Chicago.