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Material vereint Unvereinbares

Hart wie Diamant, leitfähig wie Metall

| Autor/ Redakteur: Christian Wißler* / Christian Lüttmann

Ein neues Material verblüfft mit seinen Eigenschaften. Die von einer internationalen Forschergruppe hergestellte Substanz ist superhart und druckstabil wie Diamant, aber gleichzeitig metallisch leitend – eine bisher für inkompatibel gehaltene Kombination. Dank einem an der Uni Bayreuth entwickelten Verfahren lässt sich dieses technologisch interessante Material nun in Mengen herstellen, die groß genug sind, um ihre Eigenschaften zu charakterisieren.

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Die Struktur des Rhenium-Nitrid-Pernitrids mit einzelnen Stickstoffatomen (rot) und Stickstoffhanteln N-N (blau). Größere Kugeln zeigen Rhenium Atome.
Die Struktur des Rhenium-Nitrid-Pernitrids mit einzelnen Stickstoffatomen (rot) und Stickstoffhanteln N-N (blau). Größere Kugeln zeigen Rhenium Atome.
(Bild: Maxim Bykov)

Bayreuth – Dass es eine Verbindung geben könnte, die metallisch leitfähig, superhart und ultra-inkompressibel ist, hielten viele Forscher lange für unwahrscheinlich. Man glaubte, diese Eigenschaften könnten nicht gleichzeitig in demselben Material vorkommen und seien daher inkompatibel. Diese Annahme widerlegte nun aber ein internationales Team unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Bayreuth.

Bei Hochdruck-Experimenten in einem Labor der Universität Bayreuth haben die Forscher ein bislang völlig unbekanntes Material hergestellt: Rhenium-Nitrid-Pernitrid. Sie charakterisierten es am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) chemisch und strukturell und bestätigten so die einzigartigen Eigenschaften der Substanz. Es handelt sich um einen superharten metallischen Leiter, der wie ein Diamant extrem hohen Drücken standhält.

Hochdruckmaterial mit ungewöhnlicher Struktur

Mit einem in Bayreuth entwickelten Verfahren lassen sich Rhenium-Nitrid-Pernitrid und weitere technologisch interessante Materialien in Mengen herstellen, die groß genug sind, um ihre Eigenschaften zu charakterisieren. Unter einem Kompressionsdruck von 40 bis 90 Gigapascal entstanden so in einer Diamantstempelzelle geringe Mengen des Materials mit der Summenformel Re2(N2)(N)2.

„Die Kristallstruktur, die wir in Hamburg an der Röntgenquelle PETRA III entdeckt haben, hat uns sehr überrascht“, sagt Dr. Maxim Bykov, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth. „Sie enthält einerseits einzelne Stickstoffatome und andererseits die Stickstoffhanteln N-N, in denen zwei Stickstoffatome besonders eng aneinander gebunden sind. Dieser innere Aufbau bewirkt offensichtlich eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Drücken, die von außen auf die Kristalle einwirken: Rhenium-Nitrid-Pernitrid ist ultra-inkompressibel.“

Herstellung bei geringerem Druck gelungen

Den Forschern gelang es schließlich auch, das neue Material in einer Großvolumenpresse bei einem deutlich geringeren Druck von nur noch 33 Gigapascal statt 40 bis 90 Gigapascal herzustellen. „Anwendungen der Großvolumenpressen-Technologie für die Materialsynthese sind für die Materialwissenschaft von großer Bedeutung“, betont Prof. Dr. Tomoo Katsura vom Bayerischen Geoinstitut. Kern des neuen Verfahrens ist eine Reaktion von Rhenium mit Ammoniumazid. Das auf diesem Weg synthetisierte Rhenium-Nitrid-Pernitrid kann bei normalen Umgebungsbedingungen erforscht werden.

Ergebnisse widerlegen alte Auffassungen

Den Forschern zufolge lässt sich das Verfahren auch für die Synthese von weiteren Nitriden anwenden, insbesondere von Nitriden der Übergangsmetalle, die ebenfalls technologisch attraktive Eigenschaften aufweisen können. „Obwohl der genaue Anwendungsbereich des neuen Materials derzeit schwer zu definieren ist, ist Rhenium-Nitrid-Pernitrid aufgrund seiner außergewöhnlichen Kombination attraktiver Eigenschaften ein Material, das dazu beitragen kann, die technologischen Herausforderungen der Zukunft zu meistern“, sagt Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth.

„Wichtig an unserer neuen Studie sind aber nicht nur die Ergebnisse als solche und die technologischen Anwendungen, die sich eines Tages daraus ergeben könnten. Spannend ist vor allem, dass die Entwicklung und Synthese des neuen Materials bisherigen Auffassungen, die in der Materialwissenschaft fest etabliert waren, zuwiderläuft und sie klar widerlegt“, stellt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky heraus, der mit Dubrovinskaia die Studie koordiniert hat. „Uns ist etwas gelungen, was früheren Vorhersagen zufolge gar nicht möglich gewesen wäre. Dies sollte weitere theoretische und experimentelle Arbeiten auf dem Gebiet der Hochdruckmaterialsynthese anregen und ermutigen.“

Originalpublikation: Maxim Bykov et al.: Maxim Bykov et al.: High-pressure synthesis of ultraincompressible hard rhenium nitride pernitride Re2(N2)(N)2 stable at ambient conditions,Nature Communicationsvolume 10, Article number: 2994 (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10995-3

* C. Wißler, Universität Bayreuth, 95447 Bayreuth

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