Neue Verbindungen aus Natrium und Wasserstoff

Unter extrem hohen Drücken von mehr als drei­hundert Giga­pascal wechselt Wasser­stoff seine Phase und zeigt erste metal­lische Eigen­schaften. Als Element der ersten Haupt­gruppe mehren sich damit experi­mentelle Hin­weise auf eine theo­retisch erwartete chemische Ähn­lich­keit zu den Alkali­metallen wie Lithium, Natrium oder Kalium. Einige Theorien gehen sogar davon aus, dass metal­lischer Wasser­stoff den Weg zu heißen Supra­leitern ebnen könnte. Dieses Ziel im Blick erschuf jetzt eine inter­nationale Forscher­gruppe um Viktor Struzhkin von der Carnegie Insti­tution for Science in Washington erst­mals zwei exotische Verbin­dungen aus Natrium und Wasser­stoff.

„Die einzige bekannte Verbindung aus Natrium und Wasser­stoff war bisher Natrium­hydrid“, sagt Struzhkin. Doch nun gelang ihm und seinen Kollegen in einem Hoch­druck­experi­ment der Nach­weis von zwei weiteren Poly­hydriden, NaH₃ und NaH₇. Von dieser neuen Material­klasse wird erwartet, dass sie der Suche nach Supra­leitern mit hoher Sprung­tempe­ratur neue Impulse geben und auch zu effi­zien­teren Wasser­stoff­speichern führen könnte.

Struzhkin nutzte für seine Experimente eine Diamant­press­zelle, mit der Geo­physiker auch extrem hohe Drücke wie im Erd­mantel oder Erd­kern simu­lieren. Zwischen zwei Diamant­stempel pressten sie Natrium in einer Wasser­stoff­atmo­sphäre mit dreißig bis vierzig Giga­pascal zusammen. Parallel heizten sie ihre Probe mit einem Laser auf bis zu zwei­tausend Kelvin auf. Bei diesen Bedin­gungen entstanden die beiden Natrium­poly­hydride.

Zum Nachweis der ungewöhnlichen stöchiometrischen Zusammen­setzung dienten ihnen in erster Linie parallel gewon­nene Raman-Spektren, die charak­teris­tische Signale im Frequenz­bereich zwischen 3000 und 3500 cm⁻¹ auf­wiesen. Diese Signale konnten die Forscher auf der Grund­lage von Berech­nungen den Vibra­tions­moden von H₃⁻- und H₇⁻-Anionen zu­ordnen. Lage und Inten­sität der Signale ent­sprachen weit­gehend den zuvor durch­ge­führten Berech­nungen.

Zusätzlich zu den Raman-Spektren konnte die Existenz der Natrium­poly­hdride mit Röntgen­beugungs­messungen an der Synchro­tron­quelle „Advanced Photon Source“ des Argonne National Labo­ra­tory bestätigt werden. Besonders auf­fällig war dabei die Anord­nung der Wasser­stoff­atome im Natrium­hydrid NaH₇ . Denn hier reihten sich offen­bar drei Wasser­stoff­atome zu einer negativ geladenen Kette auf. Das ent­spräche einer neuen Phase, die sich sehr von den Bindungen in reinem Wasser­stoff unter­scheiden.

„Unsere Ergebnisse können sich für die Entwicklung von Hoch­tempe­ratur-Supra­leitern und neuen Mate­ri­alien zur Wasser­stoff­speicherung nütz­lich erweisen“, ist sich Struzhkin sicher. Doch bevor es zu konkreten Anwen­dungen kommen kann, stehen noch weitere Messungen bei niedri­geren Drücken und Tempe­ra­turen aus. Parallel könnten auch Hoch­druck­experi­mente mit anderen Alkali­metallen die Rolle des Wasser­stoffs in diesen exo­tischen Hydrid-Verbin­dungen besser erklären helfen. Ob diese Experi­mente tat­säch­lich zu meta­stabilen Supra­leitern mit relativ hohen Sprung­tempe­ra­turen führen werden, ist heute noch nicht ab­seh­bar.

Jan Oliver Löfken

RK