Osmium/Druck
Under pressure
Osmium macht Diamanten Konkurrenz: Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Bayreuth hat auf das Platinmetall Osmium den höchsten Druck ausgeübt, der jemals in einem Labor erreicht wurde. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler pressten das Element in einer speziell entwickelten Diamantstempelzelle auf bis zu 770 Gigapascal zusammen. Diese Kraft entspricht mehr als dem doppelten Druck, der im Erdinneren herrscht. Das Experiment brach nicht nur den bestehenden Weltrekord-Hochdruck, sondern überraschte die Forschenden auch mit gleich zwei Erkenntnissen: Selbst unter Extrembedingungen bleibt Osmium strukturell stabil, entwickelt jedoch im Inneren der Elektronenschalen bisher noch unbekannte Wechselwirkungen.
Platinmetall Osmium – ein extremes Element
Osmium gehört zu den faszinierendsten Elementen des Periodensystems. Das in Reinform bläulich schimmernde Schwermetall ist mit einer Dichte von 22,587 g/cm³ das dichteste natürlich vorkommende Element, besitzt eine der höchsten Bindungsenergien sowie einen der höchsten Schmelzpunkte. In der Erdkruste ist es nur selten zu finden, viel seltener als Gold. Meist kommt es als Legierung oder Begleitmaterial von Erz oder anderen Edelmetallen wie Platin, Iridium oder Rhodium vor. Aufgrund seiner extremen Eigenschaften ist das Metall ähnlich schwer zu komprimieren wie ein Diamant. Deshalb wird Osmium dann eingesetzt, wenn besondere Qualität, Härte und Stabilität gefragt sind. Zum Beispiel in Legierungen für elektrische Kontakte, in stark frequentierten Maschinenteilen oder als Schreibspitze in hochwertigen Füllfederhaltern.
Neues Hochdruck-Verfahren: Diamantstempelzelle kombiniert mit Röntgenstrahlen
Wissenschaftler hatten bereits zuvor die außergewöhnliche Kompressionsfähigkeit von Osmium geprüft, jedoch lediglich mit einem Druck von 75 Gigapascal, etwa einem Fünftel des Kerndrucks der Erde. Um die Belastbarkeit von Osmium auf einem neuen Level testen zu können, entwickelte das Forschungsteam um Professor Natalia Dubrovinskaia und Professor Leonid Dubrovinsky unter Beteiligung eines DESY-Forschungsteams (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg) eine spezielle, neuartige Apparatur: eine zweistufige Diamantstempelzelle. Deren einzelne, winzige Stempel bestehen aus nanokristallinem Diamant und haben jeweils einen Durchmesser von nur zehn bis 20 Mikrometern. Die zahlreichen Korngrenzen der Nanokristalle machen die Mikro-Stempel härter als Diamanten-Einkristalle – sie können mit 770 Gigapascal den nahezu doppelten Druck aushalten und weitergeben.
Um nachzuverfolgen, wie sich die atomare Struktur von Osmium unter diesem extremen Druck im Detail verhält, kooperierte das Forschungsteam mit mehrere Großforschungsanlagen, die über Anlagen mit hochintensiven Röntgenstrahlen verfügen: Zum Einsatz kamen die DESY-Forschungslichtquelle PETRA III, die Europäische Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Frankreich und die Advanced Photon Source in den USA.
Osmium bleibt atomar stabil
Die Druckversuche mit der Diamantstempelzelle zeigten durch hochauflösende Röntgenmessungen Erstaunliches: Während Hochdruck die Eigenschaften vieler Stoffe grundlegend verändert – zum Beispiel indem Sauerstoff fest und elektrisch leitend wird – behält Osmium selbst unter extremem Hochdruck seine hexagonale Kristallstruktur. Drücke von 770 Gigapascal führen lediglich dazu, dass das Volumen pro Einheitszelle im Osmium-Gitter schrumpft. Die atomare Stabilität des Elements bleibt jedoch entgegen der Erwartung der Forschungsgruppe bestehen.
Unter Hochdruck: subtil anomales Elektronenverhalten
Komplett spurlos ging das Weltrekord-Druckexperiment jedoch nicht an dem Platinmetall vorbei. Präzise Röntgenanalysen offenbarten zwei subtile Anomalien im Kristallgitter bei circa 150 und 440 Gigapascal. Die erste Abweichung ergab sich laut Forschungsteam durch eine Umverteilung der äußeren Osmium-Elektronen. Eine Reaktion auf Druck, die auch bei anderen Elementen vorkommen und die Materialeigenschaft verändern kann.
Mehr Aufmerksamkeit erregte die Elektronenreaktion bei etwa 440 Gigapascal. Der Druck im Inneren des Elements ist so gestiegen, dass sich die Elektronenhüllen der einzelnen Atome überlagern. In Folge können selbst die kernnahen Orbitale 5p und 4f miteinander reagieren, die sich im Regelfall weder an Wechselwirkungen noch an Bindungen beteiligen. Die Forschungsgruppe schloss daraus, dass extremer Hochdruck tatsächlich die Eigenschaft von Kernelektronen verändern kann.
Neue Perspektiven für experimentelle Physik und Materialforschung
Der Hochdruck-Weltrekord mit dem seltenen Platinmetall Osmium verschiebt eindrücklich bisherige Grenzen der experimentellen Physik bei der Frage: Wie verhält und verändert sich stark komprimierte Materie? Mit der eigens entwickelten zweistufigen Diamantstempelzelle lassen sich in Kombination mit hochauflösenden Röntgenstrahlen Materialzustände untersuchen, die bislang nur theoretisch berechenbar waren. Zum Beispiel können die gesammelten Daten und Erkenntnisse den Forschenden dabei helfen, die Struktur großer Gesteinsplatten zu analysieren und die Vorgänge im Inneren von Planeten sowie großer Sterne realistisch zu modellieren. Noch dazu öffnet die Beobachtung, dass selbst kernnahe Elektronen in Wechselwirkung treten können, neue Perspektiven. Die Forschenden halten es für möglich, dass das Druckexperiment dabei helfen kann, neue Funktionsmaterialien zu entwickeln, die Extrembedingungen standhalten.
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Quellen:
https://www.chemie.de/news/154246/hochdruck-weltrekord-forscher-quetschen-osmium-aus.html
https://pro-physik.de/nachrichten/hochdruck-weltrekord-forscher-quetschen-osmium-aus
https://www.scinexx.de/news/technik/hochdruck-rekord-osmium-bleibt-standhaft
