Osmium: Stabil selbst unter enormem Druck

Forscher erreichen mit einer Diamantstempelzelle den 7,7-millionenfachen Druck der Erdatmosphäre – Synchrotronstrahlung offenbart Kristallstruktur des Metalls
Grafik des Hochdruckexperiments mit einer Osmium-Probe im Zentrum der Diamantstempelzelle.
Grafik des Hochdruckexperiments mit einer Osmium-Probe im Zentrum der Diamantstempelzelle.
© Elena Bykova/Universität Bayreuth
Bayreuth/Hamburg - Kein Metall hat eine so hohe Dichte wie Osmium. Bei gleichem Volumen ist Osmium etwa doppelt so schwer wie Blei und ausgesprochen stabil. Nur noch Diamanten lassen sich schwerer zusammenpressen. Diese enorme Stabilität stellten nun deutsche Wissenschaftler auf die bisher schwerste Probe. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, pressten sie Osmium mit dem 7,7 – millionenfachen Druck der Erdatmosphäre in einer speziellen Diamantpresszelle zusammen. Doch selbst unter diesen extremen Bedingungen, die selbst im Kern der Erde nicht erreicht werden, blieb die Kristallstruktur von Osmium erhalten.

„Wie bei jedem anderen Material unter sehr hohem Druck, sollte sich auch bei Osmium die Kristallstruktur ändern“, sagt Natalia Dubrovinskaia von der Universität Bayreuth. Doch genau diese Erwartungen wurden nicht erfüllt. Für ihre Messungen hatten die Forscher eine zweistufige Diamantstempelzelle entwickelt. Die winzigen Stempel aus nanokristallinem Diamant wiesen nur geringe Durchmesser von 10 bis 20 Mikrometern auf. Dank der Anordnung der Kristalle konnte der enorme Druck von bis zu 770 Gigapascal aufgebaut werden. Herkömmliche Diamantpresszellen, mit denen etwa die hohen Drücke im Erdinnern simuliert werden, erreichen nur deutlich geringe Werte.

Um die innere Kristallstruktur der gepressten Osmium-Probe zu beobachten, nutzten die Forscher die gebündelte Röntgenstrahlung von Synchrotronstrahlungsquellen in Hamburg (DESY), im französischen Grenoble (ESRF) und im amerikanischen Lemont (Advanced Photon Source). Über die Streuung der Röntgenstrahlung ließ sich auf die Anordnung der Atome im Kristall zurückschließen. Alle Experimente belegten, dass das Volumen der Osmium-Probe zwar ein wenig abnahm, die innere Kristallstruktur jedoch vollständig erhalten blieb.

Lediglich bei zwei Druckstufen, bei 150 und 440 Gigapascal, waren kleine Änderungen zu beobachten. Dabei spielte allerdings nur die Wechselwirkung von Elektronen eine Rolle, die sich auf inneren Bahnen um einen Osmiumatomkern bewegten. „Unsere Arbeit zeigt, dass ultrahoher statischer Druck die inneren Elektronen zu einem Wechselspiel zwingen kann“, erläutert Leonid Dubrovinsky, der ebenfalls an diesen Versuchen beteiligt war.

So eignen sich diese Hochdruckexperimente, die inneren Elektronen in extrem stabilen Metallen wie Osmium zu beeinflussen. Nach Aussage der Forscher biete dies spannende Perspektiven für die Suche nach neuen Zuständen der Materie. Denn schon frühere Hochdruckexperimente an anderen Elementen zeigten überraschende Wandlungen der Materialeigenschaften. So verwandelten etwa Forscher vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz Wasserstoffgas bei Raumtemperatur erst zu einem Halbleiter (150 Gigapascal) und bei 220 Gigapascal sogar in ein Metall. Theorien legen sogar nahe, dass metallischer Wasserstoff unter hohem Druck schon bei Raumtemperatur supraleitende Eigenschaften besitzen sollte.

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