Druck-Experiment liefert Hinweis auf neuen Zustand von Wasserstoff

10. Jänner 2016, 16:29
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Materialforscher brechen mit Diamantpresszelle Bindung von molekularem Wasserstoff auf

Edinburgh – Vor fast 80 Jahren spekulierten Chemiker erstmals, dass Wasserstoff, das leichteste und häufigste Element des Universums, nicht nur in seinem gewohnten gasförmigen Zustand existiert, sondern auch zu einem metallischen Feststoff werden kann, wenn man ihn nur ausreichend unter Druck setzt. Bis heute ist es nicht gelungen, diese Theorie unter Laborbedingungen zu beweisen – allerdings sind Physiker überzeugt davon, dass ein solcher Nachweis mittlerweile praktisch in Griffweite liegt: Forscher um Philip Dalladay-Simpson von der University of Edinburgh haben nun im Fachjournal "Nature" die Ergebnisse einer Reihe von Experimenten präsentiert, die eindeutig in diese Richtung weisen.

Wasserstoff ist unter normalen Bedingungen ausschließlich als zweiatomiges Molekül anzutreffen. Das H-H-Molekül ist durch eine der stärksten bekannten chemischen Bindungen miteinander verknüpft. Versuche am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz zeigten bereits 2011, dass sich diese Bindung ab einem Druck von 270 Gigapascal entscheidend schwächen lässt. Dalladay-Simpson und seine Kollegen gingen nun einen Schritt weiter.

Wasserstoff bei 3,88 Millionen Atmosphären

Mithilfe einer Diamantpresszelle, mit der Geophysiker normalerweise Bedingungen im Erdinneren simulieren, gelang es den britischen Forschern, Wasserstoff einem Druck von bis zu 388 Gigapascal auszusetzen – das entspricht einem Druck 3,88 Millionen Atmosphären. Was sie dabei beobachten konnten, legt nahe, dass die Theorie vom metallischen Wasserstoff tatsächlich zutrifft: Bereits ab einem Druck von 325 Gigapascal ließen sich leitende Elektronen nachweisen, die dann auftreten, wenn sich die chemische Bindung aufzulösen beginnt.

Weitere Belege für einen bevorstehenden Phasenwechsel lieferten sogenannte Raman-Spektren. Erhöhten die Wissenschafter den Druck noch weiter, zeigte das Schwingungsverhalten der Moleküle die Entstehung von atomarem Wasserstoff – ein Zustand, den die Forscher Phase V nannten und als Vorstufe zum metallischen Wasserstoff betrachten. Um das Gas tatsächlich in ein festes Metall umzuwandeln, bedürfe es laut Dalladay-Simpson allerdings eines Drucks von über 400 Gigapascal. Die Forscher sind optimistisch, dass dies in absehbarer Zeit gelingen wird.

Hilfe bei der Suche nach neuen Supraleitern

Die Experimente liefern auch Hinweise darauf, dass die vorherrschenden Theorien über das Innere von Gasriesen wie Jupiter zutreffen. Astrophysiker gehen davon aus, dass der Wasserstoff in großen Gasplaneten mit zunehmender Tiefe und steigendem Druck zunächst flüssig und dann schließlich metallisch-fest wird. Die Forschungen sollen nicht nur dazu beitragen, bestehende Theorien zu untermauern, sondern könnten auch wertvollen Hinweise auf der Suche nach Supraleitern liefern, die Strom auch bei Zimmertemperatur widerstandsfrei leiten. (red, 10.1.2016)

  • Setzt man Wasserstoffmoleküle zwischen zwei Diamanten einem Druck von über 3,88 Millionen Atmosphären aus, beginnen die Doppelbindungen aufzubrechen.
    illu.: philip dalladay-simpson, eugene gregoryanz/ university of edinburgh

    Setzt man Wasserstoffmoleküle zwischen zwei Diamanten einem Druck von über 3,88 Millionen Atmosphären aus, beginnen die Doppelbindungen aufzubrechen.

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