Chemie unter schierer Kraft

Flasche, Glasröhrchen und Lösungsmittel - das sind die Dinge, die wir normalerweise in einem Chemielabor oder in der Industrie finden. In der Chemie ist die Verwendung von Lösungsmitteln oder flüssigen Materialien die traditionelle Art der Synthese. Obwohl sie sehr effizient ist, stellt sich unweigerlich die Frage, wie man Lösungsmittel sicher und umweltfreundlich recyceln kann. Die einfachste Antwort ist die lösungsmittelfreie Chemie, aber wie kann man eine chemische Reaktion ohne den Einsatz von Lösungsmitteln auslösen?

Im Jahr 1820 lieferte Michael Faraday seine Idee, indem er die Verreibung in einem Mörser nutzte, um eine mechanische Reduktion von AgCl mit Zn, Sn, Fe und Cu einzuleiten. Dies ist wahrscheinlich das allererste Experiment der so genannten Mechanochemie. Der Definition nach wandelt die Mechanochemie mechanische Energie direkt in chemische Energie oder chemisches Potenzial um. Mechanisches Mahlen ist die gebräuchlichste Methode zur Durchführung der Mechanochemie. Die Kraft, die beim Schleifen von Hand aufgebracht wird, ist jedoch begrenzt, so dass viele Materialien bei einem solch sanften mechanischen Verfahren chemisch stabil sind. In einer gemeinsamen Arbeit der Universität Yantai, HPSTAR, der Universität Linyi, der ESRF und der California State University Northbridge wurden AgI-Pulver mit Hilfe von Diamanten auf einen extrem hohen Druck von 420.000 Atmosphären gepresst. Sie beobachteten die Zersetzung von AgI in die elementaren Bestandteile Ag und I.

"Wir interessieren uns für AgI, weil es als superionischer Feststoff bei hohen Temperaturen beschrieben wurde, bei dem Silber ein Feststoff ist und Jod sich wie eine Flüssigkeit verhält. Dies ist nützlich für die Herstellung von Batterieelektrolyten", sagt Jianfu Li von der Universität Yantai. "Vom gewöhnlichen Kristall zum superionischen Festkörper findet keine Chemie statt. Aber wenn wir den Druck hoch genug erhöhen, werden sowohl Ag- als auch I-Ionen mobilisiert und beginnen zu reagieren."

Das Hochdruckexperiment wurde an der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage durchgeführt, wo Wissenschaftler mit hochenergetischer fokussierter Röntgenstrahlung die Struktur von Proben unter solchen Druckbedingungen messen können. Sie sahen deutlich das Verschwinden des AgI-Festkörpers und das Entstehen von Ag und I. "Jede Bindung hat ihre eigene chemische Grenze. In diesem superionischen Festkörper haben wir durch die Anwendung von Druck die chemische Grenze von AgI erreicht. Jenseits dieser Grenze sahen wir die Zersetzung und den Zusammenbruch der Ionizität", fügte Qingyang Hu, wissenschaftlicher Mitarbeiter von HPSTAR, hinzu. "Diese druckinduzierte Chemie sollte auch in anderen ionischen Festkörpern wie AgCl und AgBr auftreten, allerdings bei noch höheren Drücken.

Das Experiment wurde mit Hilfe von Computermodellen durchgeführt, in denen die Entwicklung der Ag-I-Bindung und ihrer Eigenschaften bei hohen Drücken vorhergesagt wird. "Wir sind in der Lage, die stabile AgI-Struktur bei den relevanten Druckbedingungen durch den so genannten Struktursuchalgorithmus vorherzusagen. Dies ist ein weiteres Beispiel für die Leistungsfähigkeit dieses Algorithmus", erklärt Prof. Xiaoli Wang. "Indem wir die ionischen Eigenschaften von AgI verfolgen, wird jeder Schritt dieser Mechanochemie theoretisch demonstriert und durch unser Experiment perfekt gezeigt. Unser rechnerischer Ansatz kann möglicherweise neue Wege für chemische Reaktionen entwerfen."