Die erste Materialsyntheseforschung und -studie im Terapascal-Bereich

So viel Druck wie der Kern von Uranus: Die erste Materialsyntheseforschung und -studie im Terapascal-Bereich

Strukturen und Eigenschaften von Materialien bei extrem hohen Drücken und Temperaturen sind noch weitgehend „terra incognita“. Lehrer. Leonid Dubrovinsky und seine Forschungspartner verwenden eine von ihnen konstruierte laserbeheizte zweistufige Diamantstempelzelle für die Synthese von Materialien im Terapascal-Bereich (1000 Gigapascal). In-situ-Einkristall-Röntgenbeugung wird zur gleichzeitigen strukturellen Charakterisierung der Materialien verwendet. Bildnachweis: Timofey Fedotenko.

Davon konnte Jules Verne nicht einmal träumen: Ein Forscherteam der Universität Bayreuth hat gemeinsam mit internationalen Partnern die Grenzen der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung in kosmische Dimensionen verschoben. Erstmals ist es ihnen gelungen, Materialien unter Kompressionsdrücken von mehr als einem Terapascal (1.000 Gigapascal) zu erzeugen und gleichzeitig zu analysieren. Solche extrem hohen Drücke herrschen beispielsweise im Zentrum des Planeten Uranus; sie sind mehr als dreimal so hoch wie der Druck im Erdmittelpunkt. In Naturstellen die Forscher die von ihnen entwickelte Methode zur Synthese und Strukturanalyse neuartiger Materialien vor.

Theoretische Modelle sagen sehr ungewöhnliche Strukturen und Eigenschaften voraus Materialien unter extremen Druck-Temperatur-Bedingungen. Doch bisher konnten diese Vorhersagen in Experimenten bei Kompressionsdrücken von mehr als 200 Gigapascal nicht verifiziert werden. Einerseits sind aufwendige technische Voraussetzungen notwendig, um Materialproben solch extremen Drücken auszusetzen, andererseits fehlten ausgefeilte Methoden zur simultanen Strukturanalyse. Die Experimente veröffentlicht in Natur eröffnen damit der Hochdruckkristallographie völlig neue Dimensionen: Im Labor lassen sich jetzt Materialien herstellen und untersuchen, 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. So lernen wir bisher unbekannte Zustände, Eigenschaften kennen.“ und Strukturen von Kristallen und können unser Verständnis von Materie im Allgemeinen erheblich vertiefen und wertvolle Erkenntnisse für die Erforschung terrestrischer Planeten und die Synthese von Funktionsmaterialien gewinnen innovative Technologie“, erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) an der Universität Bayreuth, Erstautor der Publikation.

In ihrer neuen Studie zeigen die Forscher, wie sie mit der jetzt entdeckten Methode neuartige Rheniumverbindungen in situ erzeugt und visualisiert haben. Bei den fraglichen Verbindungen handelt es sich um ein neuartiges Rheniumnitrid (Re₇N₃) und eine Rhenium-Stickstoff-Legierung. Diese Materialien wurden unter extremen Drücken in einer zweistufigen, mit Laserstrahlen beheizten Diamantstempelzelle synthetisiert. Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung ermöglichte eine vollständige chemische und strukturelle Charakterisierung.

„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 auch extrem hohen Drücken standhält.Druck Kristallographie im Terapascal-Bereich könnten wir in Zukunft weitere überraschende Entdeckungen in dieser Richtung machen. Der kreativen Materialforschung, die unter extremen Belastungen unerwartete Strukturen erzeugt und sichtbar macht, stehen nun die Türen weit offen“, sagt die Erstautorin der Studie, Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Laboratorium für Kristallographie der Universität Bayreuth.


Extrem hart und doch metallisch leitfähig: Forscher entwickeln neuartigen Werkstoff mit Hightech-Aussicht


Mehr Informationen:
Leonid Dubrovinsky, Materialsynthese bei Terapascal statischem Druck, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04550-2

Zur Verfügung gestellt von
Bayreuth-Universität


Zitieren: So viel Druck wie der Kern von Uranus: Die erste Forschung und Studie zur Materialsynthese im Terapascal-Bereich (2022, 11. Mai), abgerufen am 11. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-pressure-uranus-core -materialsynthese.html

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