de.wedoany.com-Bericht: Ein internationales Team unter der Leitung des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums hat bei Hochdruck-Hochtemperatur-Experimenten überraschend eine feste Verbindung aus Gold- und Wasserstoffatomen synthetisiert – Goldhydrid. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler diesen Stoff hergestellt haben. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht.
Die Entdeckung geht auf eine Studie über den Mechanismus der Diamantbildung zurück. In den Experimenten wollten die Forscher ursprünglich untersuchen, wie lange Kohlenwasserstoffe unter extremen Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen benötigen, um Diamanten zu bilden. Dazu pressten sie Kohlenwasserstoffproben in einem Diamantstempelzellen-Apparat zusammen – bei Drücken, die höher sind als die im Erdmantel herrschenden – und erhitzten sie dann mit wiederholten Röntgenpulsen der deutschen European XFEL-Anlage auf über 1900 Grad Celsius. Die in der Probe enthaltene Goldfolie diente ursprünglich als Röntgenabsorber, um die Kohlenwasserstoffe, die Strahlung nur schwach absorbieren, zu erhitzen. Die Experimente zeigten das erwartete Ergebnis der Bildung von Diamantstrukturen aus Kohlenstoffatomen, doch die Wissenschaftler entdeckten zudem überraschend ein Signal für eine Reaktion von Wasserstoff mit Gold, bei der Goldhydrid entstand.
Dieses Ergebnis ist bemerkenswert, da Gold chemisch für seine geringe Reaktivität bekannt ist. Mungo Frost, der leitende SLAC-Wissenschaftler der Studie, erklärte, das Ergebnis sei unerwartet gewesen, da Gold chemisch gesehen normalerweise „eintönig“ und unreaktiv sei. Die Forscher gehen davon aus, dass extremer Druck und extreme Temperatur das Verhalten bekannter Materialien verändern und so den Weg für chemische Reaktionen ebnen können, die unter normalen Bedingungen nicht stattfinden. Die Ergebnisse tragen dazu bei, zu zeigen, wie sich chemische Regeln in extremen Umgebungen wie Planeten verändern können.
Während des Experiments ging Wasserstoff in einen superionischen Zustand über. In diesem dichten Zustand fließen die Wasserstoffatome frei innerhalb der starren Atomstruktur des Goldes. Dieses Verhalten erhöhte die elektrische Leitfähigkeit des Goldhydrids und ermöglichte es den Wissenschaftlern, Veränderungen in der Art und Weise zu beobachten, wie die Goldkristallstruktur Röntgenstrahlen streut. Da Wasserstoff mit Röntgenstrahlen nur schwer direkt zu untersuchen ist, nutzte das Team die Kristallstruktur des Goldes als „Zeugen“ für das Verhalten des Wasserstoffs und konnte so beobachten, wie sich der Wasserstoff im Inneren des Materials verhält.
Die Verbindung kann nur unter extremen Bedingungen existieren; nach dem Abkühlen der Probe trennen sich Gold und Wasserstoff wieder. Das Forschungsteam erklärte, dass Goldhydrid eine neue Methode biete, um dichten atomaren Wasserstoff im Labor zu untersuchen – eine Form von Wasserstoff, die mit Umgebungen in Verbindung steht, die in gewöhnlichen Experimenten nicht direkt zugänglich sind, wie etwa das Innere bestimmter Planeten. Die Studie könnte zudem Aufschluss über Kernfusionsprozesse in Sternen wie der Sonne geben und möglicherweise auch für die Entwicklung von Fusionsreaktoren auf der Erde relevante Forschung unterstützen. Simulationen des Teams deuten außerdem darauf hin, dass bei noch höheren Drücken möglicherweise noch mehr Wasserstoff in der Goldkristallstruktur Platz finden könnte.
Neben der Entdeckung von Goldhydrid zeigt die Studie auch einen Weg auf, neue Chemie in extremen Umgebungen zu erforschen. Siegfried Glenzer, Leiter der Abteilung für hohe Energiedichte am SLAC und Professor für Photonenwissenschaften, betonte, dass die Erzeugung und Simulation dieser Zustände für die Erforschung exotischer Materialien sehr wichtig sei. Die in der Studie verwendeten Simulationswerkzeuge könnten auch auf die Untersuchung der Eigenschaften anderer Materialien unter extremen Bedingungen angewendet werden. Das Forschungsteam umfasst Wissenschaftler des SLAC, der Universität Rostock, des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), des European XFEL, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, der Universität Frankfurt, der Universität Bayreuth, der University of Edinburgh, der Carnegie Institution for Science, der Stanford University und des Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). Ein Teil der Arbeiten wurde vom Office of Science des US-Energieministeriums finanziert.
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