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MATERIALFORSCHUNG
Extrem hoher Druck im Labor
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bayreuth
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9. August 2016

Im Zentrum von Planeten herrscht ein ungeheuer hoher Druck, der ganz neue Materialzustände entstehen lässt. Einem internationalen Forscherteam ist es jetzt erstmals gelungen, im Labor einen Druck von einen Terapascal zu erzeugen. Dieser Druck ist dreimal höher als der Druck, der im Zentrum der Erde herrscht.

Diamant

Nachdem ein kugelförmiger nanokristalliner Diamant in zwei Halbkugeln getrennt worden ist, werden die Halbkugeln für den Einsatz in einer doppelseitigen Diamantstempelzelle vorbereitet (elektronenmikroskopische Aufnahme). Bild: Leonid Dubrovinsky und Natalia Dubrovinskaia  [Großansicht]

Extreme Drücke und Temperaturen, die im Labor mit hoher Präzision erzeugt und kontrolliert werden, sind ideale Voraussetzungen für die Physik, Chemie und Materialforschung. Sie ermöglichen es, Strukturen und Eigenschaften von Materialien aufzuklären, neue Materialien für industrielle Anwendungen zu synthetisieren, neue Materiezustände zu entdecken, zu einem vertieften Verständnis von Materie vorzudringen und damit beispielsweise Einblicke in den Aufbau und die Dynamik der Erde sowie anderer Planeten zu gewinnen.

Daher besteht weltweit ein starkes Forschungsinteresse daran, die im Labor erzeugten und für Materialanalysen genutzten Drücke immer weiter zu steigern. Als "magische Grenze" galt bisher die Marke von 1 Terapascal (= 1.000.000.000.000 Pascal). Das sind 1 Billion Pascal. Dieser Druck ist dreimal höher als der Druck, der im Zentrum der Erde herrscht. Zum Vergleich: Dieser Druck würde auf einer Fingerspitze lasten, wenn man darauf 100 Exemplare des Eiffelturms übereinander stapeln könnte. Eben diese Grenze hat ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky von der Universität Bayreuth jetzt erstmals erreicht und überschritten.

An der jetzt veröffentlichten Studie waren zusammen mit dem Bayerischen Geoinstitut (BGI) und dem Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth zahlreiche weitere Forschungspartner beteiligt: das Center for Advanced Radiation Sources an der Universität Chicago, die European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, die Universität Antwerpen, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie die Baltische Föderale Immanuel-Kant-Universität in Kaliningrad. Entscheidende Experimente wurden von den Bayreuther Wissenschaftlern am Argonne National Laboratory, einem Forschungsinstitut des US-Energieministeriums in Chicago, durchgeführt.

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Es sind kugelförmige nanokristalline Diamanten, mit denen jetzt die Tür in eine neue Dimension der Materialforschung aufgestoßen wurde. Wissenschaftler an der Universität Bayreuth hatten die durchsichtigen Kugeln, die einen Durchmesser zwischen 10 und 20 Mikrometern aufweisen, im Labor synthetisiert. Wie sich herausstellte, besitzen sie aufgrund ihres einzigartigen Gefüges eine ganz ungewöhnliche Druckfestigkeit. Sie erweisen sich als höchst widerstandsfähig, wenn äußere Drücke auf sie einwirken.

Diese Eigenschaft haben die Mitglieder der Forschungsgruppe mit dem Ziel genutzt, für materialwissenschaftliche Experimente einen Druck von mehr als 1 Terapascal zu erzeugen. Mit einer Ionenfeinstrahlanlage haben sie die superharten Diamant-Kugeln zunächst in zwei Halbkugeln getrennt. Diese Hälften wurden anschließend in einer doppelseitigen Diamantstempelzelle installiert. Während die dazwischen eingezwängten Materialproben steigenden Drücken ausgesetzt waren, wurden sie an der Elektronensynchrotron-Anlage in Chicago mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Die Beugungsmuster, die aus diesen technologisch sehr anspruchsvollen Untersuchungen hervorgingen, brachten es an den Tag: Die Grenze von 1 Terapascal war erreicht und überschritten.

Diamantstempelzellen als solche kommen in der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung schon seit langem zum Einsatz: Dabei wird die Probe des zu untersuchenden Materials zwischen zwei Diamanten platziert. Diese Diamanten pressen die Materialprobe aus entgegensetzten Richtungen zusammen, wobei Drücke bis zu etwa 250 Gigapascal entstehen können. Am Bayerischen Geoinstitut (BGI) und am Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth wurde diese Forschungstechnik schon vor wenigen Jahren entscheidend weiterentwickelt. Die hier konstruierten doppelseitigen Diamantstempelzellen ermöglichen die Erzeugung von viel höheren Drücken.

Denn in diesen Zellen wird auf jedem der beiden Diamanten ein halber nanokristalliner Diamant befestigt. Die Köpfe dieser Halbkugeln stehen exakt einander gegenüber. So können sie die extremen Drücke, die von außen seitens der größeren Diamanten auf sie ausgeübt werden, an die zwischen ihnen befindliche Materialprobe weitergeben – und zwar ohne dabei zerstört zu werden. Die Pointe dieses zweistufigen Verfahrens liegt darin, dass der an die Materialprobe weitergegebene Druck vervielfacht wird.

Denn die Köpfe der Halbkugeln, welche die Materialprobe berühren, haben eine wesentlich kleinere Fläche als ihre kreisförmigen Unterflächen, mit denen sie an den größeren Diamanten befestigt sind. Eine wesentliche Ursache für die Druckfestigkeit von nanokristallinen Diamanten ist ihre Korngröße. Bei den nanokristallinen Diamanten, mit denen in zweistufigen Zellen jetzt erstmals ein Kompressionsdruck von mehr als 1 Terapascal erzeugt werden konnte, liegt sie zwischen 2 und 15 Nanometern.

Die jetzt veröffentlichten Forschungsergebnisse eröffnen aber nicht allein wegen der Überschreitung von 1 Terapascal neue Möglichkeiten für die physikalische, chemische und geowissenschaftliche Materialforschung. Spezielle Dichtungen, welche die Wissenschaftler in den doppelseitigen Diamantstempelzellen installiert haben, bilden wesentliche Voraussetzungen dafür, dass nicht nur Festkörper, sondern auch Materialproben in ursprünglich flüssigem oder gasförmigem Zustand bei Drücken von über 1 Terapascal analysiert werden können.

"Wir freuen uns sehr darüber, dass es uns zusammen mit unseren Forschungspartnern gelungen ist, die internationale Hochdruck- und Hochtemperaturforschung in dieser Weise voranzubringen", erklärt Dubrovinskaia. Die jetzt veröffentlichten Forschungsergebnisse seien für zahlreiche Forschungszweige von erheblicher Relevanz, insbesondere für die Physik und Chemie der Festkörper, die Materialwissenschaft, die Geophysik und die Astrophysik. Ebenso könne die Industrie davon profitieren, beispielsweise wenn es um die Entwicklung neuer Wasserstofftechnologien oder hochleistungsfähiger Supraleiter geht.

Über ihre Untersuchung berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der kürzlich in der Zeitschrift Science Advances erschienen ist.

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siehe auch
Materialwissenschaften: Materie unter Druck - 27. August 2015
Chemie: Wenn Wasserstoff metallisch wird - 18. November 2011
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