Werkstoffforschung 16. Mai 2022 Von Iestyn Hartbrich

Bedingungen wie im Innern des Uranus

Forschende aus Bayreuth haben im Labor Drücke im Terapascal-Bereich erzeugt – und dabei eine neue Klasse von Werkstoffen analysiert.

Uranus, aufgenommen vom Hubble-Teleskop. Im Innern des Planeten herrschen Drücke im Terapascal-Bereich.
Foto: NASA/Space Telescope Science Institute

Ein Forschungsteam aus Bayreuth hat Materialien im Terapascal-Bereich erzeugt und analysiert. Das sei zuvor niemandem gelungen, heißt es in einer Mitteilung. Die Forschenden haben das Verfahren zur Synthese und Strukturanalyse nun im Journal „Nature“ veröffentlicht.

Ein Terapascal, das sind 1000 Gigapascal. Das entspricht in etwa dem Tausendfachen der Zugfestigkeit einer starken Titanlegierung und dem Sechzehnfachen der Zugfestigkeit von Carbon Nanotubes, einer der festesten bekannten Strukturen. Solche Drücke herrschen beispielsweise im Zentrum des Gasriesen Uranus.

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Ungewöhnliche Strukturen unter hohen Drücken

Theoretische Modelle sagen laut den Bayreuther Forschenden ungewöhnliche Strukturen und Materialeigenschaften unter extremen Druck-Temperatur-Bedingungen voraus. Bislang hätten sich diese Vorhersagen allerdings nicht in Experimenten bei Kompressionsdrücken jenseits von 200 GPa verifizieren lassen. Zum einen seien komplexe technische Voraussetzungen nötig, um Materialproben derart extremen Drücken auszusetzen, zum anderen fehle es bislang an ausgereiften Methoden für die zeitgleiche Strukturanalyse. „Das von uns entwickelte Verfahren versetzt uns erstmals in die Lage, neue Materialstrukturen im Terapascal-Bereich zu synthetisieren und in situ – das heißt: noch während des laufenden Experiments – zu analysieren. Auf diese Weise lernen wir bisher unbekannte Zustände, Eigenschaften und Strukturen von Kristallen kennen“, sagt der Erstautor der Veröffentlichung, Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth.

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Forschungsgegenstand: Rhenium-Nitrid

Für die Experimente haben die Forschenden Rhenium-Verbindungen ausgewählt: Konkret handelt es sich um ein neuartiges Nitrid (Re7N3) und eine Rhenium-Stickstoff-Legierung. Diese seien im Labor erzeugt und in situ sichtbar gemacht worden, schreibt Dubrovinsky.

Für die Synthese nutzten die Forschenden eine mit Laserstrahlen beheizte, zweistufige Diamantstempelzelle. Die Charakterisierung der Materialien sei mittels Röntgenbeugung gelungen (Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung). „Vor zweieinhalb Jahren waren wir in Bayreuth sehr überrascht, als wir auf der Basis von Rhenium und Stickstoff einen superharten metallischen Leiter herstellen konnten, der selbst extrem hohen Drücken standhält. Wenn wir künftig die Hochdruckkristallographie sogar im Terapascal-Bereich anwenden, werden wir in dieser Richtung möglicherweise weitere überraschende Entdeckungen machen“, sagt Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth.

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