11.02.2020

Geballter Wasserstoff

Spezielles Metallhydrid könnte den Weg zu Hochtemperatur-Supraleitern ebnen.

Ein Forscherteam aus der Schweiz, den USA und Polen hat eine einzigartig hohe Dichte von Wasserstoff­atomen in einem Metall­hydrid nachgewiesen. Die kleineren Abstände zwischen den Atomen könnten es ermöglichen, deutlich mehr Wasserstoff in das Material zu packen – bis zu einem Punkt, an dem es bei Raum­temperatur und Normaldruck zum Supraleiter werden könnte.

Abb.: Illustration der Struktur eines Zirkonium-Vanadium-Hydrids. (Bild: J....
Abb.: Illustration der Struktur eines Zirkonium-Vanadium-Hydrids. (Bild: J. Hemman, ORNL)

Die Wissenschaftler führten im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) im US-Bundesstaat Tennessee Neutronen­streuexperimente an Zirkonium-Vanadium-Hydrid bei atmo­sphärischem Druck und bei Temperaturen von bis zu -23 Grad Celsius durch. Die Messungen ergaben überraschend kleine Wasserstoff-Wasserstoff-Atom­abständen von nur 1,6 Angström im Vergleich zu 2,1 Angström, die für diese Metall­hydride gemäß Theorie vorausgesagt werden. Die ungewöhnlich kleinen Atomabstände sind bemerkenswert und vielver­sprechend, da der in den Metallen enthaltene Wasserstoff ihre elektronischen Eigen­schaften beeinflusst. Andere Materialinen mit ähnlicher Wasserstoff-Anordung zeigen bereits supra­leitende Eigenschaften, jedoch nur bei extrem hohen Drücken. „Einige der vielver­sprechendsten Hoch­temperatur-Supraleiter wie Lanthandecahydrid werden bei etwa -20 Grad Celsius supraleitend, bilden sich jedoch leider erst bei einem Druck von 1,6 Millionen Atmosphären“, sagte Rus Hemley von der University of Illinois in Chicago. Dem Forschungsteam gehörten zudem Wissen­schaftler der Empa, der Universität Zürich und der Polnischen Akademie der Wissenschaften an.

Das internationale Team benutzte hoch­auflösende unelastische Neutronen­spektroskopie zur Untersuchung der Wasserstoffwechselwirkungen im Metallhydrid. Die Messdaten, einschließlich eines markanten Peaks bei etwa fünfzig Milli­elektronenvolt, stimmte jedoch nicht mit den Vorhersagen der Modelle überein. Simulations­rechnungen sollten die Erklärung liefern. Diese Computer­simulationen bewiesen, dass die unerwartete spektrale Intensität nur dann auftritt, wenn die Abstände zwischen den Wasserstoff­atomen kleiner als zwei Angström sind – was in einem Metallhydrid bei Umgebungsdruck und -temperatur noch nie beobachtet worden war. Der ermittelte Abstand von 1,6 Angström ist die erste bekannte Ausnahme vom Switendick-Kriterium in einer bime­tallischen Legierung – ein Prinzip, das für stabile Hydride bei Umgebungs­temperatur und -druck gilt, wobei der Wasserstoff-Wasserstoff-Abstand nie weniger als 2,1 Angström beträgt.

„Eine wichtige Frage ist nun, ob der von uns beobachtete Effekt speziell auf Zirkonium-Vanadium-Hydrid beschränkt ist oder nicht“, sagt Andreas Borgschulte von der Empa. „Wenn wir theo­retische Berechnungen des Materials unter Einhaltung des Switendick-Limits durchführen, können wir den charak­teristischen Peak in den Spektren nicht verifizieren. Dies führte uns zu der Schlussfolgerung, dass zumindest in Vanadium­hydrid Wasserstoff-Wasserstoff-Paare mit Abständen unter 2,1 Angström auftreten.“ In künftigen Experimenten planen die Forscher, Zirkonium-Vanadium-Hydrid bei verschiedenen Drücken mehr Wasser­stoff zuzusetzen, um zu bestimmen, wieviel Wasserstoff die Legierung in ihrem Gitter speichern kann. 

Empa / JOL

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