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PHYSIK
Druckverhältnisse wie im Inneren von Uranus
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bayreuth
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18. Mai 2022

Schon im Zentrum der Erde herrschen extrem hohe Drücke, im Mittelpunkt von Eisriesen wie Uranus sind diese noch einmal deutlich höher. Unter solchen außergewöhnlichen Bedingungen können spezielle Verbindungen mit ganz besonderen Eigenschaften entstehen. Nun gelang es, Materialien unter diesen extremen Druckverhältnissen im Labor zu erzeugen und zu untersuchen.

Uranus

Der Planet Uranus in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble vom Oktober 2021. Bild: NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center) und M.H. Wong (University of California, Berkeley) und das OPAL-Team  [Großansicht]

Davon konnte Jules Verne nicht einmal träumen: Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat gemeinsam mit internationalen Partnern die Grenzen der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung in kosmische Dimensionen ausgeweitet. Erstmals ist es gelungen, Materialien unter Kompressionsdrücken von mehr als einem Terapascal (1000 Gigapascal) zu erzeugen und zeitgleich zu analysieren. Solche extrem hohen Drücke herrschen beispielsweise im Mittelpunkt des Planeten Uranus, sie sind mehr als dreimal so hoch wie der Druck im Zentrum der Erde. Jetzt hat das Team das von ihnen entwickelte Verfahren zur Synthese und Strukturanalyse neuartiger Materialien vorgestellt.

Theoretische Modelle sagen sehr ungewöhnliche Strukturen und Eigenschaften von Materialien unter extremen Druck-Temperatur-Bedingungen voraus. Doch bisher ließen sich diese Vorhersagen nicht in Experimenten bei Kompressionsdrücken von mehr als 200 Gigapascal verifizieren. Zum einen sind komplexe technische Voraussetzungen nötig, um Materialproben derart extremen Drücken auszusetzen, zum anderen fehlten ausgereifte Methoden für zeitgleiche störungsfreie Strukturanalysen. Die jetzt publizierten Experimente eröffnen daher völlig neue Dimensionen für die Hochdruckkristallographie: Im Labor können jetzt Materialien erzeugt und erforscht werden, die – wenn überhaupt – in den Weiten des Universums nur unter extrem hohen Drücken existieren.

"Das von uns entwickelte Verfahren versetzt uns erstmals in die Lage, neue Materialstrukturen im Terapascal-Bereich zu synthetisieren und in situ – das heißt: noch während des laufenden Experiments – zu analysieren. Auf diese Weise lernen wir bisher unbekannte Zustände, Eigenschaften und Strukturen von Kristallen kennen und können generell unser Verständnis von Materie bedeutend vertiefen. Für die Erforschung terrestrischer Planeten und die Synthese von Funktionsmaterialien, die in innovativen Technologien zur Anwendung kommen, lassen sich dadurch wertvolle Einsichten gewinnen“, erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth.

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In ihrer neuen Studie zeigen die Forscherinnen und Forscher, wie sie mithilfe des jetzt entdeckten Verfahrens neuartige Rheniumverbindungen erzeugt und in situ sichtbar gemacht haben. Es handelt sich dabei um ein neuartiges Rhenium-Nitrid (Re7N3) und eine Rhenium-Stickstoff-Legierung. In einer mit Laserstrahlen beheizten zweistufigen Diamantstempelzelle wurden diese Materialien unter extremen Drücken synthetisiert. Die Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung ermöglichte eine vollständige chemische und strukturelle Charakterisierung.

"Vor zweieinhalb Jahren waren wir in Bayreuth sehr überrascht, als wir auf der Basis von Rhenium und Stickstoff einen superharten metallischen Leiter herstellen konnten, der selbst extrem hohen Drücken standhält. Wenn wir künftig die Hochdruckkristallographie sogar im Terapascal-Bereich anwenden, werden wir in dieser Richtung möglicherweise weitere überraschende Entdeckungen machen. Die Türen für eine kreative Materialforschung, die unter extremen Drücken unerwartete Strukturen erzeugt und sichtbar macht, stehen jetzt weit offen", blickt Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth voraus.

Über ihr Verfahren berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature erschienen ist.

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siehe auch
Eisriesen: Die große Vielfalt von Wassereis - 26. Februar 2021
Eisriesen: Eine Art Diamantregen im Inneren - 7. Juli 2020
Eisriesen: Was Plastik über das Innere der Eisriesen verrät - 3. April 2019
Planeten: Diamantregen im Inneren von Eisriesen? - 22. August 2017
Röntgenlaser: Einblick ins Innere von Gasriesen - 12. März 2014
Teilchenphysik: Im Inneren von Jupiter und Saturn - 26. Juli 2007
Links im WWW
Dubrovinsky, L. et al. (2022): Materials synthesis at terapascal static pressures, Nature, 605, 274
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