Gold unter Druck

Gold war immer ein Synonym für Haltbarkeit und Beständigkeit. Doch bei Drücken oberhalb von etwa 240 GPa ändert das Edelmetall überraschend seine Kristallstruktur.

Mit der Synergie von Experiment und Theorie hat eine Forschergruppe unter der Leitung von Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut der Uni Bayreuth herausgefunden, dass Gold, das in vielerlei Hinsicht edelste aller Elemente, hinsichtlich seiner Kristallstruktur tatsächlich „unedler“ als Kupfer, Silber und Platin ist.

Die Einzigartigkeit des Goldes und seine besondere Rolle in der menschlichen Gesellschaft sind von Anfang an sehr eng mit seiner außergewöhnlichen Unempfindlichkeit gegenüber chemischen Reaktionen sowie extremen Drücken und Temperaturen verbunden. Gold war immer ein Synonym für Haltbarkeit und Beständigkeit. Bei normalem Umgebungsdruck nimmt Gold seine Gestalt als flächenzentrierte, kubische Struktur (fcc) an und bleibt nach bisherigem Kenntnisstand in dieser Form bei Drücken bis mindestens 180 GPa stabil.

In einem in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichten Fachartikel berichten Geo- und Materialwissenschaftler des Bayerischen Geoinstituts der Universität Bayreuth mit Kollegen der Universität Heidelberg (Mineralphysik und Strukturforschung) und Wissenschaftlern aus Frankreich und Schweden zum ersten Mal über ihre Entdeckung einer Umwandlung des Goldes (Phasenübergang). Mit einer Serie von Experimenten in beheizbaren Diamantstempelzellen wurde gezeigt, dass Gold bei Drücken oberhalb von ~240 GPa die dichtere Kristallstruktur einer hexagonal-dichtesten Kugelpackung (hcp) annimmt.

Abb.: Bei dieser als Diamantstempelzelle bezeichneten Druckapparatur wird der angelegte Druck auf die kleine Probenkammer im Zentrum der Apparatur von oben und unten mit Hilfe von zwei auf die Spitze gestellten Diamanten übertragen. (Quelle: Universität Bayreuth)

Bei dieser neuen Forschungsarbeit gibt es verschiedene wichtige Aspekte. Bisher ließen sich Röntgenbeugungsexperimente bei Drücken oberhalb von 100 GPa lediglich in großen Teilchenbeschleunigern (Synchrotron) realisieren, von denen es weltweit nur wenige gibt. Wissenschaftler am Bayerischen Geoinstitut haben mit finanzieller Unterstützung der Deutsche Forschungsgemeinschaft eine neuartige Apparatur entwickelt, mit der sich neue Wege in der Materialforschung beschreiten lassen. Materie kann hier unter enormem Druck bis über 2,5 Millionen Atmosphären (was zum Beispiel dem Druck im Erdkern in einer Tiefe von 5500 km entspricht) erforscht werden.

Fortschritte in der Hochdrucktechnologie erfordern Vergleichsstandards, die für Druckbereiche bis zu mehreren Millionen bar einsetzbar sind. Die große Druck- und Temperaturstabilität von Gold mit einer fcc-Struktur sowie dessen hohe isothermale Kompressibilität machten das Edelmetall bisher zu einem sehr attraktiven Druck-Standard bei Hochdruck-/Hochtemperatur-Experimenten in Druckbereichen oberhalb von 100 GPa. Der druckbedingte Strukturänderung von Gold bei Drücken oberhalb von 240 GPa, stellt eine „natürliche“ Begrenzung bei der Verwendung von fcc-Gold als Standard dar.

Der Druck, der notwendig ist, einen Phasenübergang des Goldes zu bewirken, ist zu hoch, um etwas Ähnliches wie eine „Goldpest“ analog zu der „Zinnpest“ - einer chemische Reaktion mit der langsamen Überführung des metallischen Zinns in eine andere, nicht-metallische Zinnverbindung in Form von unbrauchbarem Staub bei niedrigen Temperaturen - auf der Erde befürchten zu müssen. Jedoch machen neue experimentelle und theoretische Ansätze immer wieder deutlich, dass es kein „absolut“ unveränderliches Material gibt; und Gold, als das Edelste aller Metalle, macht da von dieser Regel keine Ausnahme.

Quelle: Uni Bayreuth

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia, W. A. Crichton, A. S. Mikhaylushkin, S. I. Simak, I. A. Abrikosov, J. S. de Almeida, R. Ahuja, W. Luo und B. Johansson, Noblest of All Metals Is Structurally Unstable at High Pressure, Phys. Rev. Lett. 98, 045503 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.045503
• Bayerisches Geoinstitut der Uni Bayreuth:
  http://www.bgi.uni-bayreuth.de