Diamanten - aus Stickstoff gefügt

Schema einer Diamantstempel- Apparatur

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Schematischer Querschnitt einer Diamantstempel- Apparatur: Der Strahl eines Infrarotlasers beheizt die Probe, während ein Argon-Ionenlaser zur Anregung eines Rubinsplitters für spektroskopische Druckmessungen dient. (Grafik: ROHRER NACH VORLAGEN DES MPI FÜR CHEMIE)

Diese kubische Form hat man bisher bei keinem anderen Element gefunden, und dieser polymere Stickstoff besitzt einzigartige Eigenschaften: zum Beispiel einen Energieinhalt, der fünfmal größer ist als jener der stärksten nichtnuklearen Sprengstoffe.

Bereits seit zwei Jahrzehnten wurde aufgrund theoretischer Überlegungen vermutet, es müsse auch einfach gebundenen Stickstoff geben: Danach sollte sich molekularer Stickstoff unter hohem Druck zu einem atomaren Festkörper mit der Struktur eines kubischen Gitters fügen. Deshalb versuchten Forscher intensiv, diesen polymeren Stickstoff herzustellen, und zwar unter hohen Drücken und in unterschiedlichen Temperaturbereichen. Dabei fanden sich zwar verschiedene neue Stickstoff-Konfigurationen - darunter auch eine nichtmolekulare Halbleiterphase -, doch nie die prognostizierten "Stickstoff-Diamanten".

Polymere kubische Gitterstruktur

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Polymere kubische Gitterstruktur: Alle Stickstoffatome sind mittels kovalenter Einfachbindungen miteinander verknüpft. (Grafik: ROHRER NACH VORLAGEN DES MPI FÜR CHEMIE)

Wissenschaftlern der Hochdruckgruppe am Mainzer Max- Plack-Institut für Chemie gelang es, diese lange gesuchte polymere Form des Stickstoffs zu erzeugen: Sie synthetisierten ihn aus zweiatomigem Stickstoff - und zwar bei Temperaturen von mehr als 2000 Grad Kelvin und Drücken von über 110 Gigapascal (entsprechend 1,1 Millionen Atmosphären). Dazu nutzten die Forscher eine neue, laserbeheizte Diamant-Hochdruckzelle. Analysen des so "erzwungenen" transparenten Kristalls belegten, dass es sich tatsächlich um polymeren Stickstoff mit der theoretisch vorhergesagten kubischen Gitterstruktur handelte. Diese Zustandsform ist charakteristisch für stark kovalent gebundene Festkörper. "Wir nennen sie deswegen Stickstoff-Diamant", sagt Mikail Eremets, einer der Mainzer Max-Planck-Forscher.

Anders als zweiatomiger Stickstoff, der wegen seiner chemisch hoch stabilen Dreifachbindung ausgesprochen reaktionsträge ist, verkörpert der polymere, über Einfachbindungen verknüpfte Stickstoff ein Material mit enorm hoher Energiedichte. Das liegt daran, dass beim Stickstoff in einer Dreifachbindung sehr viel weniger Energie steckt als in drei jeweils einfachen Bindungen. Deshalb werden, wenn der einfach gebundene, polymere Stickstoff in normalen, dreifach gebundenen Stickstoff übergeht, gewaltige Energien freigesetzt - die oben erwähnte fünffache Menge als bei der Explosion der brisantesten bislang verfügbaren chemischen Sprengstoffe.

Da das Endprodukt einer solchen explosiven Umwandlung gewöhnlicher, umweltneutraler Stickstoff ist, wird jetzt geprüft, ob und wie man den polymeren Stickstoff als Treibstoff oder Sprengstoff einsetzen könnte. Dazu allerdings muss erst ein Weg gefunden werden, den "diamantenen" Stickstoff bei normalen Temperaturen und Drücken zu erhalten.