Goldhydrid: Forschende erzeugen eine neue Verbindung im Labor

In einem Hochdruckexperiment im Labor erzeugten Forschende unbeabsichtigt eine neue Verbindung namens Goldhydrid. Das besondere Hydrid entstand, als eine dünne Goldfolie auf dichten Wasserstoff traf, der auf einen Druck von mehreren Hunderttausend Atmosphären und auf extrem hohe Temperaturen gebracht worden war.

Der Fund stellt den Ruf von Gold als nahezu inertem Metall infrage und verdeutlicht, dass vertraute Materialien unter extremen Bedingungen völlig neue Formen annehmen können.

Mit der Herstellung von Goldhydrid im Labor erschlossen die Forschenden zudem einen Ansatz, dichten Wasserstoff zu untersuchen, wie er im Inneren von Riesenplaneten und in fusionierenden Sternen vorkommt.

Herstellung von Goldhydrid

Geleitet wurde die Arbeit von Mungo Frost, einem fest angestellten Wissenschaftler am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), der Materialien unter extremen Drücken und Temperaturen erforscht.

Für Versuche dieser Art wird Gold normalerweise eingesetzt, weil es kaum Reaktionen eingeht und als passiver Röntgenabsorber das umgebende Material erwärmt.

Da Gold üblicherweise chemisch sehr reaktionsträge ist und genau deshalb regelmäßig als Röntgenabsorber verwendet wird, ging das Team davon aus, dass es während des Experiments inert bleiben würde.

Die unerwartete Reaktion lieferte jedoch die erste bestätigte feste Verbindung, die in einem Laborexperiment ausschließlich aus Gold- und Wasserstoffatomen gebildet wurde.

Laborversuch zur Diamantbildung

Ursprünglich sollte das Experiment messen, wie lange einfache Kohlenwasserstoffe unter enormem Druck und großer Hitze benötigen, um sich in Diamant umzuwandeln.

Dafür pressten die Forschenden winzige Tropfen eines Kohlenwasserstoffs zwischen die Spitzen einer Diamantstempelzelle, die Proben unter gewaltigem statischem Druck einschließt.

Wie eine aktuelle Übersicht zu Arbeiten mit Diamantstempelzellen zeigt, ermöglicht die Lasererwärmung in solchen Zellen die Untersuchung von Materialien bei extremen Drücken.

Am European XFEL in Deutschland trafen Röntgenpulse auf eine dünne Goldfolie in der Probe und erhitzten dadurch die umgebenden Kohlenwasserstoffe.

Das Team erhöhte den Druck bis zu einem Niveau, das dem im unteren Erdmantel entsprach, und beschoss die Probe anschließend mit Serien von Röntgenpulsen.

Laut der Studie bildete sich Goldhydrid unter diesen Bedingungen bei Temperaturen von mehr als 1.900 °C und bei Drücken, die weit über denen im Erdmantel lagen.

Die Röntgenstreumuster bestätigten, dass sich die Kohlenstoffatome in das regelmäßige Kristallgitter von Diamant einfügten, wie es die Forschenden auf Grundlage früherer Arbeiten erwartet hatten.

Signale in den Messdaten zeigten außerdem, dass Wasserstoffatome in das Goldgitter eindrangen und Goldhydrid bildeten, wodurch sich die Röntgenstreuung des Metalls veränderte.

Goldhydrid und die Entstehung von Planeten

Unter hohem Druck und großer Hitze ging Wasserstoff in einen superionischen Zustand über: Die Atome bewegten sich darin wie in einer Flüssigkeit innerhalb eines Feststoffs, wodurch das Goldhydrid elektrisch leitfähig wurde.

Da Wasserstoff Röntgenstrahlung normalerweise kaum streut, beobachtete das Team Veränderungen im Goldgitter, um daraus auf die Bewegung der leichten Atome zu schließen.

Simulationen und Messungen deuten darauf hin, dass Wasserstoff bei hoher Temperatur rasch durch das hexagonale Goldgitter diffundiert, sich beim Abkühlen der Probe jedoch wieder abtrennt.

Modelle des Jupiterinneren gehen von einer Schicht aus metallischem Wasserstoff aus, die einen dichten Kern umgibt und Drücken ausgesetzt ist, wie sie auf der Erdoberfläche nicht vorkommen.

In solchen Umgebungen wird Wasserstoff so stark komprimiert, dass er sich eher wie eine dichte, elektrisch leitende Flüssigkeit als wie ein gewöhnliches Gas verhält.

Neuere Studien haben gezeigt, dass superionische Zustände in Mischungen aus Siliziumdioxid und Wasser sowie aus Siliziumdioxid und Wasserstoff zur Erklärung der Magnetfelder von Riesenplaneten beitragen könnten.

Goldhydrid schafft eine kontrollierte Umgebung, in der Struktur und Bewegung von dichtem Wasserstoff messbar sind, und bietet theoretischen Arbeiten damit ein klareres Ziel für Berechnungen zu Planeten.

Neuer Ansatz für die Fusionsforschung

Sterne wie die Sonne leuchten, weil die Gravitation Wasserstoff so stark verdichtet, dass dessen Kerne fusionieren; Forschende versuchen, ähnliche Bedingungen in Experimenten auf der Erde nachzubilden.

Präzise Modelle von dichtem Wasserstoff, also Wasserstoff bei außergewöhnlich hohen Drücken und Dichten, sind entscheidend, um das Verhalten von Fusionsbrennstoff zu verstehen.

Simulationen zeigen, dass bereits geringe Unsicherheiten beim Verhalten von Wasserstoff bei hoher Dichte Vorhersagen zur Fusion deutlich verändern können.

Indem die Messungen festhalten, wie Wasserstoff bei bestimmten Drücken und Temperaturen durch Gold wandert, geben sie Modellierenden in der Fusionsforschung einen Referenzwert zur Überprüfung ihrer Berechnungen.

Neubewertung „reaktionsträger Metalle“

In der Alltagschemie zählt Gold zu den Edelmetallen, die nur selten Verbindungen bilden – ein Grund dafür, dass Schmuck über Jahrzehnte glänzend bleibt.

In diesen Experimenten bildete Gold dagegen ein Hydrid, das bei steigendem Druck mehr Wasserstoff aufnahm, sich bei nachlassenden Bedingungen jedoch wieder in reines Gold aufspaltete.

Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass extremer Druck und hohe Temperaturen chemische Formen ermöglichen können, die unter normalen Bedingungen nicht entstehen.

Hochdruckforschung hat bereits gezeigt, dass reaktionsträge Elemente wie Xenon Verbindungen bilden können; Goldhydrid unterstreicht daher, wie stark sich Chemie verändert, wenn Materie zusammengedrückt wird.

Hochtechnologische Anlagen

Die Experimente stützten sich auf den European XFEL, eine leistungsstarke Röntgenlaseranlage, die jede Sekunde Tausende Pulse auf Ziele senden kann.

Diese Pulse übertragen Energie auf die Goldfolie, sodass die Forschenden die Probe rasch erhitzen konnten, während die Diamantstempelzelle den Druck aufrechterhielt.

Die Forschung zu hoher Energiedichte, welche Materie bei extremen Drücken und Temperaturen untersucht, kombiniert intensive Röntgenlaser mit Diamantstempelzellen.

Mit besseren Werkzeugen – von widerstandsfähigeren Diamantstempeln bis zu helleren Röntgenquellen – können Forschende zunehmend Materiezustände untersuchen, die einst als rein theoretisch galten.

Goldhydride und andere exotische Phasen

Goldhydrid reiht sich in einen Katalog exotischer Phasen ein, zu denen auch superionisches Wasser und Siliziumdioxidverbindungen gehören und die nur bei starkem Druck und hoher Temperatur auftreten.

Viele dieser Phasen verschwinden, sobald Druck oder Temperatur sinken; ihre Existenz hilft dennoch zu erklären, wie Planeten Wärme transportieren und Magnetfelder erzeugen.

Da Hydride anderer Metalle bereits Eigenschaften wie Supraleitfähigkeit aufweisen, könnte das Verständnis von Goldhydrid eines Tages bei der Entwicklung neuer elektronischer Materialien helfen.

Das Auftreten von Goldhydrid unter Belastung zeigt, dass selbst bekannte Elemente in Laborproben unerwartetes Verhalten annehmen können, wenn Forschende die Bedingungen weit über das Gewohnte hinaus treiben.

Erkenntnisse aus Goldhydrid

Das Simulationsmodell, das superionischen Wasserstoff in Gold beschrieb, kann vorhersagen, wie sich andere Elemente verhalten, wenn ihnen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen Wasserstoff zugeführt wird.

Künftige Experimente können Gold durch andere Metalle oder Mischungen ersetzen, die planetaren Materialien stärker ähneln, um zu prüfen, ob ebenfalls ungewöhnliche Hydride entstehen.

Jede unter solchen Extrembedingungen entdeckte Verbindung erweitert das Periodensystem der Hochdruckphasen und verdeutlicht, wie sich gewöhnliche Elemente unter starker Belastung verhalten.