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Superhart und doch metallisch leitfähig

Neuartiges Material mit Hightech-Perspektiven

09.07.2019

BGI, Maxim Bykov

Die Struktur des Rhenium-Nitrid-Pernitrids, die einzelne Stickstoffatome (rot) und die Stickstoffhanteln N-N (blau) enthält. Größere Kugeln zeigen Rhenium-Atome.

Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Bayreuth hat bei DESY ein bislang völlig unbekanntes Material identifiziert: Rhenium-Nitrid-Pernitrid. Es besitzt eine Kombination von Eigenschaften, die bisher als inkompatibel galten, und ist dadurch für technologische Anwendungen hochattraktiv. Bei dem neuen Material handelt sich um einen superharten metallischen Leiter, der wie ein Diamant extrem hohen Drücken standhält. Das in Bayreuth entwickelte Herstellungsverfahren ist auch auf weitere technologisch interessante Materialien anwendbar.

Dass es eine Verbindung geben könnte, die metallisch leitfähig, superhart und ultra-inkompressibel ist, wurde in der Forschung lange Zeit für unwahrscheinlich gehalten. Man glaubte, diese Eigenschaften könnten nicht gleichzeitig in demselben Material vorkommen und seien daher inkompatibel. Das widerlegen die jetzt veröffentlichten Forschungsarbeiten, die zwei Entwicklungsstadien in Hamburg und Bayreuth durchlaufen haben: „Zunächst haben wir eine winzige Probe Rhenium-Nitrid-Pernitrid in einer Hochdruck-Stempelzelle bei DESY mit Hilfe der Röntgenlichtquelle PETRA III strukturell charakterisiert“, berichtet Ko-Autor Hanns-Peter Liermann, Leiter der DESY-Messstation für Extrembedingungen (ECB), an der die Untersuchungen stattfanden. Unter einem Kompressionsdruck von 40 bis 90 Gigapascal, das entspricht etwa dem 400.000fachen bis 900.000fachen Atmosphärendruck, entstanden in der Diamantstempelzelle geringe Mengen dieses Materials, das auch unter Umgebungsdruck stabil bleibt. Re2(N2)(N)2 lautet die Summenformel.

„Die Kristallstruktur, die wir in Hamburg an der Röntgenquelle PETRA III entdeckt haben, hat uns sehr überrascht: 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“, sagt Maxim Bykov, Hauptautor der Veröffentlichung und wissenschaftlicher Mitarbeiter des Bayerischen Geoinstituts (BGI) an der Universität Bayreuth.

Am BGI ist es anschließend gelungen, das neue Material in einer Großvolumenpresse bei einem deutlich geringeren Druck von 33 Gigapascal herzustellen. „Anwendungen der Großvolumenpressen-Technologie für die Materialsynthese sind für die Materialwissenschaft von großer Bedeutung“, betont Ko-Autor Tomoo Katsura vom BGI. 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. Das Verfahren lässt sich für die Synthese weiterer Nitride anwenden, insbesondere von Nitriden der Übergangsmetalle, die ebenfalls technologisch attraktive Eigenschaften aufweisen können. Diese Forschungsarbeiten zeigen daher exemplarisch, welche innovativen Impulse von der materialwissenschaftlichen Hochdruckforschung ausgehen 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“, erklärt Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth, die die Forschungsarbeiten gemeinsam mit Leonid Dubrovinsky vom BGI koordiniert hat.„Wichtig an unserer neuen Studie sind aber nicht nur die Ergebnisse als solche und die technologischen Anwendungen, die sich eines Tages daraus ergeben könnten”, ergänzt Dubrovinsky. „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. 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.“

An den Forschungsarbeiten waren außer der Universität Bayreuth und DESY auch die Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen-Nürnberg, die Ludwig-Maximilians-Universität in München, die Universität Linköping, das Materialmodellierungs- und -entwicklungslabor in Moskau sowie die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble beteiligt.

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