Neue Elementstrukturen durch Simulation vorhergesagt

Wissenschaftler der ETH Zürich haben mit der systematische Erforschung des Verhaltens der Elemente unter hohem Druck begonnen - und Überraschendes entdeckt. Ihre Resultate publizieren sie nun im "Journal of Chemical Physics". Sie zeigen, dass die Strukturen von Wasserstoff und Sauerstoff mindestens bis zu einem Druck von 6 Mbar bzw 2.5 Mbar molekular bleiben. Außerdem decken sie die seit langer Zeit gesuchten Strukturen von rotem und schwarzem Sauerstoff auf und weisen auf mehrere neue Formen von Kohlenstoff hin, die vermutlich einzigartige physikalische Eigenschaften aufweisen.

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 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.

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.

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 vorauszusagen. 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.

Quelle: idw / ETH Zürich