Neue Strukturen der Elemente vorhergesagt

Das Verhalten der Elemente - und somit ihre chemischen Eigenschaften - verändert sich wesentlich unter Druck. 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 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.

Die Struktur von Wasserstoff unter hohem Druck war unbekannt. 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.

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 wie Paare zustande kommen.

COMPAMED.de; Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich