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Metallhydrid mit ungewöhnlich dichter Wasserstoff-Packung Supraleitung bei Raumtemperatur?

| Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

Wasserstoff kann in manchen Metalllegierungen als Hydrid gespeichert werden. Nun haben Forscher entdeckt, dass der Abstand zwischen den Wasserstoffatomen in einem bestimmten Hydrid deutlich kleiner ist als theoretisch möglich sein sollte. Damit könnte sich das Material als neuartiger Supraleiter erweisen, der nahezu bei Raumtemperatur stabil ist.

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Abbildung einer Zirkonium-Vanadium-Hydrid-Atomstruktur: Das Atomgitter besteht aus Vanadium- (blau) und Zirkoniumatomen (grün), die Wasserstoffatome (rot) einschließen.
Abbildung einer Zirkonium-Vanadium-Hydrid-Atomstruktur: Das Atomgitter besteht aus Vanadium- (blau) und Zirkoniumatomen (grün), die Wasserstoffatome (rot) einschließen.
(Bild: Jill Hemman / Oak Ridge National Laboratory, US Dept of Energy )

Dübendorf/Schweiz – Bestimmte Metallverbindungen sind in der Lage, Wasserstoff aufzunehmen wie ein Schwamm Wasser. Dabei setzt der Wasserstoff sich in die Lücken des Atomgitters und bildet mit dem Metall ein so genanntes Metall-Hydrid. Derartige Verbindungen sind nicht nur als potenzielle Wasserstoffspeicher für nachhaltige Energiesysteme interessant, sondern können auch weitere nützliche Eigenschaften wie beispielsweise Supraleitung aufweisen.

Die Spallations-Neutronenquelle am Oak Ridge National Laboratory im US-Bundesstaat Tennessee liefert Ergebnisse in besonders hoher Auflösung.
Die Spallations-Neutronenquelle am Oak Ridge National Laboratory im US-Bundesstaat Tennessee liefert Ergebnisse in besonders hoher Auflösung.
(Bild: Oak Ridge National Laboratory, US Dept of Energy )

Ein internationales Wissenschaftler-Team mit Beteiligung der Empa hat nun eine Entdeckung an einem Zirkonium-Vanadium-Hydrid gemacht: Sie maßen mit Neutronenstreuexperimenten die Abstände der eingebauten Wasserstoffatome und kamen auf einen Wert von 1,6 Angström (weniger als ein Millionstel Millimeter). Das überraschte die Forscher, weil laut Theorie der Wasserstoff-Wasserstoff-Atomabstand dieser Metallhydride eigentlich 2,1 Angström betragen sollte.

Neue Hochtemperatur-Supraleiter möglich

Ein derart kleiner Abstand der Wasserstoffatome könnte die elektronischen Eigenschaften des Metallhydrids auf besondere Weise beeinflussen. Andere Materialien mit ähnlicher Wasserstoffanordnung zeigen nämlich supraleitende Eigenschaften, jedoch nur bei extrem hohen Drücken.

„Einige der vielversprechendsten Hochtemperatur-Supraleiter wie Lanthandecahydrid werden bei etwa -20 °C supraleitend, bilden sich jedoch leider erst bei einem Druck von 1,6 Millionen Atmosphären“, sagt Rus Hemley von der University of Illinois in Chicago. Das Zirkonium-Vanadium-Hydrid war dagegen auch bei atmosphärischem Druck und Temperaturen von bis zu -23 °C stabil – also nahezu Standardbedingungen.

„Jahrzehntelang bestand der ‚heilige Gral‘ für Wissenschaftler darin, ein Material zu finden, das bei Umgebungstemperatur und -druck supraleitend ist, sodass Ingenieure es in konventionelle elektrische Systeme und Geräte einbauen können“, kommentiert Hemley. Die Ergebnisse des Forscherteams stellen nun einen weiteren Schritt in diese Richtung dar.

Simulationsrechnung bringt Klarheit

Das internationale Team benutzte hochauflösende unelastische Neutronenspektroskopie, um die Wasserstoffwechselwirkungen im Metallhydrid zu untersuchen. Das resultierende spektrale Signal, einschließlich eines markanten Peaks bei etwa 50 Millielektronenvolt, stimmte jedoch nicht mit den Vorhersagen der Modelle überein.

Erst dank Simulationsrechnungen verstanden die Forscher die ungewöhnlichen Ergebnisse. Damit belegten sie, dass die unerwartete spektrale Intensität nur dann auftritt, wenn die Abstände zwischen den Wasserstoffatomen kleiner als zwei Angström sind – was in einem Metallhydrid bei Umgebungsdruck und -temperatur bis dahin noch nie beobachtet worden war.

Erste Ausnahme der Abstands-Regel für Wasserstoff

Der ermittelte Abstand von 1,6 Angström ist laut Aussage der Autoren die erste bekannte Ausnahme vom so genannten Switendick-Kriterium in einer bimetallischen Legierung – ein Prinzip, das für stabile Hydride bei Umgebungstemperatur und -druck gilt, wobei der Wasserstoff-Wasserstoff-Abstand nie weniger als 2,1 Angström beträgt. „Eine wichtige Frage ist nun, ob der von uns beobachtete Effekt speziell auf Zirkonium-Vanadium-Hydrid beschränkt ist oder nicht“, sagt Andreas Borgschulte von der Empa.

In künftigen Experimenten planen die Forscher, Zirkonium-Vanadium-Hydrid bei verschiedenen Drücken mehr Wasserstoff zuzusetzen, um zu bestimmen, wieviel Wasserstoff die Legierung in ihrem Gitter speichern kann.

Originalpublikation: Andreas Borgschulte el al.: Inelastic neutron scattering evidence for anomalous H–H distances in metal hydrides, PNAS (2020); DOI: 10.1073/pnas.1912900117

* R Klose, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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