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Superharte
Form von Bor entdeckt
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| Bei einem Druck zwischen 19 und 89 Gigapascal formieren sich die Bor-Atome
zu negativ geladenen Ikosaedern (blau) und positiv geladenen Hanteln (orange).
Ein
Forschungsteam mit Beteiligung der ETH Zürich hat eine Form des Elementes
Bor gefunden, die nach Lehrbuch gar nicht existieren dürfte: einen
ionischen Kristall.
Bor
ist ein seltenes Halbmetall, dass in seiner kristallinen Form aufgrund
der hohen Festigkeit und Steifigkeit für Helikopterrotoren, Tennisracks
und Golfschläger verwendet wird. |
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Von
allen Elementen reagiert Bor aber am empfindlichsten auf Verunreinigungen.
Bereits ein Prozent an fremden Atomen kann Struktur und Eigenschaften von
Bor verändern.
Diese
Empfindlichkeit macht es schwierig, das Element zu studieren. Theoretiker
und Experimentalwissenschaftler sind nun einen grossen Schritt weiter gekommen:
Sie haben eine neue, superharte Form von Bor gefunden. Während ein
Teil der Studie letztes Jahr im "Journal of Superhard Materials" erschienen
ist, wurden weitere Ergebnisse heute in "Nature�online publiziert. |
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Hoher
Druck führt zu neuer Form
Für
die Synthese der neuen Form brauchte man äusserst reines Bor. Das
verwendete Material enthielt maximal ein fremdes Atom auf eine Million
Bor-Atome. Das Material wurde einem Druck von 12-30 Gigapascal und Temperaturen
von über 1500 Grad Celsius ausgesetzt. Zum Vergleich: Um aus Graphit
einen künstlichen Diamant herzustellen, benötigt man einen Druck
von 6 Gigapascal. Liegt der Druck unter 19 Gigapascal, bilden die Bor-Atome
eine Kristallstruktur, in welcher jeweils zwölf Atome zu einem Ikosaeder
(einem Körper bestehend aus zwanzig gleichseitigen Dreiecken) angeordnet
sind. Ein höherer Druck zwingt die Atome jedoch dazu, eine dichtere
Anordnung einzunehmen. Welche Struktur dies ist, liess sich aber experimentell
nicht klären.
Der
Kristallograph Artem Oganov hat während seiner Zeit am Departement
Materialwissenschaft der ETH Zürich eine Methode entwickelt, die Strukturen
chemischer Elemente mit Hilfe von Computersimulationen vorherzubestimmen.
Seine Berechnungen zeigten: Bei einem Druck zwischen 19 und 89 Gigapascal
bilden die Bor-Atome zwei unterschiedliche Formen, sogenannte Nanocluster.
Einerseits formen sich Ikosaeder aus zwölf Atomen, andererseits Hanteln
aus zwei Atomen. Die beiden Nanocluster sind im Kristall angeordnet wie
beispielsweise die Natrium- und Chloratome im Kochsalz.
Superharte
Struktur
Weitere
Experimente zeigten, dass es sich bei der neuen Struktur um einen superharten
Kristall handelt. Zudem entdeckten Theoretiker eine aussergewöhnliche
Eigenschaft des Materials: Das Element im Kristall ist ionisiert, die Ladungen
sind also ungleich zwischen den Atomen verteilt. Nach Lehrbuch dürfte
eine Ionisierung nur zwischen zwei unterschiedlichen Elementen vorkommen,
etwa zwischen Natrium und Chlorid im Kochsalz. In der neu entdeckten Bor-Struktur
findet die Ionisierung jedoch zwischen den zwei Arten von Nanoclustern
desselben Elements statt.
Oganov
und seine Kollegen berechneten weiter, dass auch andere Elemente - etwa
gewisse Kohlenstoffstrukturen - ionische Zustände einnehmen könnten.
Oganov, der nun Professor an der Stony Brook University in den USA ist,
erwartet, dass früher oder später Anwendungen auf Basis ionischer
Elemente entwickelt werden. Denn die Eigenschaften eines Elements ändern
sich, wenn es ionisch wird, es kann zum Beispiel Infrarot-absorbierend
werden. So wäre ein Material denkbar, das nur teilweise absorbierend
ist oder dessen Absorbtionsfähigkeit von der Temperatur abhängt.
Zudem könnten sich interessante Effekte im Zusammenhang mit Supraleitung ergeben.
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| Quelle:
Text ETH Zürich, 2009 |
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