Bay­reu­ther Hoch­druck-For­scher ent­decken Stick­stoff­ver­bin­dun­gen mit über­ra­schen­den Strukturen

Nitri­de sind Stick­stoff­ver­bin­dun­gen mit tech­no­lo­gisch hoch­at­trak­ti­ven Eigen­schaf­ten. Sie haben daher ein brei­tes Anwen­dungs­po­ten­zi­al in der Mikro­elek­tro­nik, der Opto­elek­tro­nik und als Kera­mik­werk­stof­fe. For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben jetzt bei Hoch­druck-Expe­ri­men­ten unge­wöhn­li­che Nitri­de ent­deckt. Stick­stoff- und Metal­l­ato­me ver­bin­den sich unter sehr hohen Drücken zu porö­sen Kri­stall­struk­tu­ren mit Kanä­len, in die sich Stick­stoff-Mole­kü­le ein­la­gern. Die in der Zeit­schrift „Ange­wand­te Che­mie Inter­na­tio­nal Edi­ti­on” ver­öf­fent­lich­ten Erkennt­nis­se bie­ten wert­vol­le Ansatz­punk­te für das Design und die Syn­the­se neu­er High-Rech-Materialien.

Schein­bar para­dox: Hoch­druck erzeugt Hohlräume

Es ist eine all­täg­li­che Erfah­rung: Je kräf­ti­ger der Druck ist, den man von allen Sei­ten auf einen Gegen­stand aus­übt, desto mehr wird er zusam­men­ge­presst. Das Volu­men ver­rin­gert sich und Hohl­räu­me im Inne­ren ver­schwin­den. Doch genau die­ser Erfah­rung wider­spre­chen die neu­en Hoch­druck-Expe­ri­men­te an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Bei einem Kom­pres­si­ons­druck von rund einer Mil­li­on Atmo­sphä­ren, wie er rund 2.500 Kilo­me­ter unter­halb der Erd­ober­flä­che herrscht, ent­ste­hen aus Stick­stoff-Ato­men und den Ato­men eines Metalls porö­se Gerüst­struk­tu­ren. Dabei bau­en Stick­stoff-Ato­me bei­spiels­wei­se zick­zack­för­mi­ge Ket­ten auf. In die Hohl­räu­me der neu­en Kri­stal­le drin­gen Stick­stoff-Mole­kü­le (N₂) ein. Bei den in den Expe­ri­men­ten ver­wen­de­ten Metal­len han­delt es sich um Haf­ni­um (Hf), Wolf­ram (W) und Osmi­um (Os). Sie zäh­len auf­grund ihrer Posi­tio­nen im Peri­oden­sy­stem der Ele­men­te zur Klas­se der Übergangsmetalle.

Hoch­druck macht Stick­stoff bindungsfreudig

„Unter nor­ma­len Drücken und Tem­pe­ra­tu­ren, wie wir sie auf der Erde ken­nen, sind Stick­stoff­mo­le­kü­le sehr bin­dungs­un­wil­lig. Des­halb ist es fas­zi­nie­rend zu beob­ach­ten, wie sich unter hohen Drücken das Bin­dungs­ver­hal­ten des Stick­stoffs radi­kal ändert. Es ent­ste­hen kom­ple­xe Gerüst­struk­tu­ren, die unter­schied­li­che Arten che­mi­scher Bin­dun­gen ent­hal­ten. In jedem Fall sind die­se Struk­tu­ren porös – was sehr unge­wöhn­lich ist, wenn man bei­spiels­wei­se bedenkt, wie sich Gra­phit­schich­ten unter Hoch­druck in kom­pak­te und sehr har­te Dia­man­ten ver­wan­deln”, erklärt Prof. Dr. Nata­lia Dubro­vins­ka­ia vom Labor für Kri­stal­lo­gra­phie der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, die an der neu­en Stu­die maß­geb­lich betei­ligt war.

Wie die kom­ple­xe Gerüst­struk­tur aus­sieht, die im Ein­zel­fall ent­steht, hängt ent­schei­dend von der Wahl des Über­gangs­me­talls ab. Dies bedeu­tet im Prin­zip, dass die Syn­the­se der Nitri­de gezielt gesteu­ert wer­den kann – zumin­dest unter hohen Drücken, wie sie im Labor erzeugt wer­den können.

„Im Hin­blick auf die wach­sen­de tech­no­lo­gi­sche Bedeu­tung von Nitri­den, bei­spiels­wei­se für die Elek­tro­nik oder Ener­gie­spei­che­rung, bie­tet unse­re neue Stu­die zahl­rei­che Anre­gun­gen für die Ent­wick­lung neu­er High-Tech-Mate­ria­li­en”, sagt Dr. Maxim Bykov, Erst­au­tor der Studie.

Inter­na­tio­na­le Zusammenarbeit

Die neu­en For­schungs­er­geb­nis­se sind aus einer engen inter­na­tio­na­len For­schungs­ko­ope­ra­ti­on her­vor­ge­gan­gen: Zusam­men mit Hoch­druck-For­schern aus Bay­reuth waren Arbeits­grup­pen der Uni­ver­si­ty of Chi­ca­go, der Car­ne­gie Insti­tu­ti­on of Washing­ton und der Howard Uni­ver­si­ty in den USA, der Natio­nal Uni­ver­si­ty of Sci­ence and Tech­no­lo­gy MISiS in Moskau/​Russland, der Uni­ver­si­tät Lin­köping in Schwe­den, der Euro­pean Syn­chro­tron Radia­ti­on Faci­li­ty in Grenoble/​Frankreich (ESRF) sowie des Deut­schen Elek­tro­nen-Syn­chro­tron (DESY) in Ham­burg beteiligt.

For­schungs­för­de­rung:

Die For­schungs­ar­bei­ten an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth wur­den von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) und dem Bun­des­mi­ni­ste­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) gefördert.