Osmium fast so stabil wie Diamanten

Kein Metall hat eine so hohe Dichte wie Osmium. Bei gleichem Volumen ist Osmium etwa doppelt so schwer wie Blei und ausgesprochen stabil. Nur noch Diamanten lassen sich schwerer zusammenpressen. Diese enorme Stabilität stellten nun Wissenschaftler auf die bisher schwerste Probe. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, pressten sie Osmium mit dem 7,7-millionenfachen Druck der Erdatmosphäre in einer speziellen Diamantpressezelle zusammen. Doch auch unter diesen extremen Bedingungen, die selbst im Kern der Erde nicht erreicht werden, blieb die Kristallstruktur von Osmium erhalten.

Metallenes Objekt mit Öffnungen an Seite und Decke.
Zweistufige Diamantstempelzelle

„Wie bei jedem anderen Material unter sehr hohem Druck, sollte sich auch bei Osmium die Kristallstruktur ändern“, sagt Natalia Dubrovinskaia von der Universität Bayreuth. Doch genau diese Erwartungen wurden nicht erfüllt. Für ihre Messungen hatten die Forscher eine zweistufige Diamantstempelzelle entwickelt. Die winzigen Stempel aus nanokristallinem Diamant wiesen nur geringe Durchmesser von 10 bis 20 Mikrometern auf. Dank der Anordnung der kristallinen Nanodiamanten konnte der enorme Druck von bis zu 770 Gigapascal aufgebaut werden. Herkömmliche Diamantpresszellen, mit denen etwa die hohen Drücke im Erdinnern simuliert werden, erreichen deutlich geringere Werte.

Um die innere Kristallstruktur der gepressten Osmium-Probe zu beobachten, nutzten die Forscher die gebündelte Röntgenstrahlung von Synchrotronstrahlungsquellen in Hamburg (DESY), im französischen Grenoble (ESRF) und im US-amerikanischen Lemont (Advanced Photon Source). Über die Streuung der Röntgenstrahlung ließ sich auf die Anordnung der Atome im Kristall schließen. Alle Experimente belegten, dass das Volumen der Osmium-Probe zwar abnahm, die innere Kristallstruktur jedoch vollständig erhalten blieb.

Lediglich bei zwei Druckstufen, bei 150 und 440 Gigapascal, waren kleine Änderungen zu beobachten. Dabei spielte allerdings nur die Wechselwirkung von Elektronen, die sich auf inneren Bahnen um einen Osmiumatomkern bewegten, eine Rolle. „Unsere Arbeit zeigt, dass ultrahoher statischer Druck die inneren Elektronen zu einem Wechselspiel zwingen kann“, sagt Leonid Dubrovinsky, der ebenfalls an diesen Versuchen beteiligt war.

So eignen sich diese Hochdruckexperimente dafür, die inneren Elektronen in extrem stabilen Metallen wie Osmium zu beeinflussen. Nach Aussage der Forscher biete das spannende Perspektiven für die Suche nach neuen Zuständen der Materie. Denn schon frühere Hochdruckexperimente an anderen Elementen zeigten überraschende Wandlungen der Materialeigenschaften. So verwandelten Forscher Wasserstoffgas bei Raumtemperatur erst zu einem Halbleiter (150 Gigapascal) und dann bei 220 Gigapascal in ein Metall. Theorien legen nahe, dass metallischer Wasserstoff unter hohem Druck schon bei Raumtemperatur supraleitende Eigenschaften besitzen sollte.