Der irre Druck, dem das Sauerstoff-Molekül standhält

6. Februar 2012, 19:48
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Computersimulationen hatten ein überraschendes Ergebnis

Bochum - Das Sauerstoff-Molekül kann einem ungewöhnlich hohen Druck standhalten. Das haben Computersimulationen einer deutsch-britisch-kanadischen Forschungsgruppe nun gezeigt. Das Sauerstoff-Molekül (O2) hält einem Druck von bis zu 1,9 Terapascal stand, dem 19-millionenfachen Atmosphärendruck. Bei noch höherem Druck polymerisiert Sauerstoff, bildet also größere Moleküle oder Strukturen. Die Untersuchung wurde nun in den "Physical Review Letters" publiziert.

Überraschend ist das Ergebnis insofern, als andere einfache Moleküle wie zum Beispiel Stickstoff (N2) derart hohen Druck nicht überleben - und das, obwohl das Stickstoff-Molekül im Gegensatz zu Sauerstoff mit einer Elektronenpaar-Doppelbindung eine Dreifachbindung besitzt. "Man würde denken, dass die schwächere Doppelbindung leichter aufzubrechen ist und dass Sauerstoff daher bei niedrigerem Druck polymerisiert als Stickstoff", so Jian Sun vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie an der Ruhr-Universität Bochum. "Wir haben aber das Gegenteil gefunden. Das war auf den ersten Blick erstaunlich."

Mögliche Erklärung

Als Erklärung vermuten die Forscher eine Kombination zweier Faktoren. Mit steigendem Druck kommen die Moleküle näher zusammen. Das Forscherteam nimmt an, dass sich unter diesen Bedingungen die freien Elektronenpaare der verschiedenen Moleküle gegenseitig abstoßen - was sie daran hindert, sich einander anzunähern. Da Sauerstoff mehr freie Elektronenpaare als Stickstoff besitzt, ist die Abstoßungskraft zwischen den Sauerstoff-Molekülen stärker, was das Polymerisieren erschwert. Allerdings kann die Anzahl der freien Elektronenpaare nicht das einzige sein, was den Druck bestimmt, bei dem die Polymerisation eintritt. "Wir denken, es ist eine Kombination aus der Anzahl der freien Elektronenpaare und der Stärke der Bindung zwischen den einzelnen Molekülen", erklärt Sun.

Eigenschaften

Die Simulationen haben zudem gezeigt, dass sich Sauerstoff mit zunehmendem Druck "sehr kompliziert" verhält. Gasförmige Moleküle wandeln sich gleichzeitig mit dem Polymerisieren - also der Bildung von Ketten, Schichten oder Netzwerkstrukturen - üblicherweise von Isolatoren in Metalle um, d.h. sie werden mit steigendem Druck leitfähiger. Wie sich zeigte, ist die Lage bei Sauerstoff etwas komplizierter: Unter Standardbedingungen hat das Molekül isolierende Eigenschaften. Steigt der Druck, metallisiert es und wird zum Supraleiter. Bei weiterem Druckanstieg wird Sauerstoff zunächst zum Halbleiter mit Polymerstruktur. Dann nimmt Sauerstoff erneut metallische Eigenschaften an, die Leitfähigkeit steigt also wieder. Schließlich verwandelt sich das metallische Polymer in eine metallische Struktur aus vielen Schichten.

Abschließend verweist der Forscher auf die Bedeutung derartiger Untersuchungen: "Die Polymerisation kleiner Moleküle unter hohem Druck hat viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie hilft, die fundamentale Physik und Chemie geologischer und planetarischer Prozesse zu verstehen", so Sun. "Der Druck im Inneren von Jupiter wird zum Beispiel auf etwa sieben Terapascal geschätzt. Man hat auch herausgefunden, dass polymerisierte Moleküle wie N2 und Kohlendioxid (CO2) verblüffende Eigenschaften haben. Sie haben etwa eine hohe Energiedichte oder sind superhart." (red)

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