Unter extrem steigendem Druck verändert Natrium seine Erscheinung. Bei Atmosphärendruck glänzt es silbrig (l.), färbt sich bei knapp einer Million Bar schwarz (m.), um bei zwei Millionen Bar schließlich gelblich-transparent zu werden. Der Farbwechsel ist jeweils Zentrum der drei Bilder zu erkennen, die durch die Versuchapparatur hindurch aufgenommen wurden. | Copyright: Max-Planck-Institut für Chemie / mpg.deMainz/ Deutschland - Ein Team internationaler Wissenschaftler hat eine transparente Form des Elements Natrium (Sodium, NA) entdeckt. Wie die Forscher im Laborexperiment zeigen konnten, widersetzt sich das Alkalimetall den normalen physikalischen Erwartungen und wird unter hohem Druck transparent.
Normalerweise verhalten sich die bekannten Elemente eigentlich genau umgekehrt, wenn sie unter genügend hohem Druck - etwa im Innern der Gasplaneten Jupiter und Saturn metallisieren. Erstaunt stellte das Team unter von Professor Artem Oganov von der Stony Brook University, Professor Yanming Ma von der Jilin University in China und Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie jedoch fest, dass sich Natrium genau umgekehrt verhält, wenn das weiche, eigentlich silbrig schimmernde Metall unter genügend Atmosphärendruck von rund zwei Millionen Bar, zuerst auf ein Fünftel seiner ursprünglichen Größe schrumpfte, dann schwarz, und rötlich färbt und zuletzt farblos wie gelbliches Glas wird.
Diese erstaunliche Erkenntnis, so Oganov, sei von großer Bedeutung für das Verständnis extrem verdichteter Materie im Innern von Sternen und Planetenriesen.
Schon bevor das Verhalten im Praxistest unter Mikhail Eremets, Ivan Trojan und Sergey Mevedev am Max Plank Institut für Chemie in Mainz demonstriert werden konnte, wurde es von Ma anhand theoretischer Berechnungen vorhergesagt, wonach das Natrium unter hohem Druckverhältnissen eine ungewöhnliche Kristallstruktur annimmt und zu einem Nichtleiter (Isolator) wird und in Folge dessen auch nicht mehr als Metall gelten würde.
"Unter normalen Bedingungen bildet Natrium eine Struktur, die Kristallografen als kubisch-innenzentriert bezeichnen", erläutert die Pressemitteilung der Max-Planck-Geellschaft. Das heißt die Elementarzelle des Natriums besteht aus einem Würfel, an dessen Ecken jeweils ein Atom sitzt. Ein weiteres steckt im Inneren des Kubus. Ein solides Stück Natrium ergibt sich, indem man in allen Raumrichtungen die Elementarzellen aneinander reiht. Bei Atmosphärendruck sind die Kanten der Elementarzelle gut vier Millionstel Millimeter lang. Unter zwei Millionen Bar schrumpft sie nicht nur deutlich, in ihr müssen dann sogar 14 statt 9 Atomen Platz finden. "Sie rücken dabei so dicht zusammen, dass ihre Rümpfe überlappen", sagt Eremets.
Atomrumpf heißt der Atomkern mit dem Teil der Elektronen, die chemisch kaum eine Rolle spielen. Gewöhnlich überlappen Atome nur mit ihrer äußeren Hülle, also einem kleinen Teil ihrer Elektronen - egal ob sie Moleküle oder Kristalle bilden, zu denen auch ein Stück reines Metall gehört. Und solange nur diese äußere Hülle betroffen ist, gilt: Je besser die Atome in einem Metall überlappen, desto besser leiten sie Strom. Denn eine engere Verbindung zwischen den Atomen macht die Elektronen beweglicher.
Bei zwei Millionen Bar ist das nun allerdings anders: Jetzt drängeln sich die Atome derart dicht, dass ihre Elektronen jede Bewegungsfreiheit verlieren - ein Zustand, der normalerweise den metallischen Glanz erzeugt, wenn die Elektronen sichtbares Licht aufnehmen und es in Bewegung umsetzen, ehe sie es wieder abgeben und so den Schimmer erzeugen. Eingezwängt, wie sie unter extremem Druck sind, fehlt ihnen nun aber fast für jegliche Bewegung der Platz und das Licht kann nicht mehr ungehindert durch sie hindurch dringen. "Die äußeren Elektronen sind dabei so stark lokalisiert, dass sie wie Anionen (negativ geladene Ionen) in dem Gitter der Atomrümpfe sitzen", erklärt Mikhail Eremets.
Natrium wird also zu einer Art Salz, in dem nicht negativ geladene Ionen, sondern in Kugeln gepresste Elektronen, die Gegenstücke zu den positiven Ionen (elektrisch geladene Atome) bilden. Natrium ähnelt dann Materialien, die als so genannte Elektride bezeichnet werden und erst vor wenigen Jahren entdeckt wurden. Über ihre Eigenschaften ist noch nicht viel bekannt: "Gewöhnlich handelt es sich dabei um sehr komplexe Verbindungen", so Eremets: "Wir haben jetzt ein sehr einfaches Modell geschaffen, um diese außergewöhnliche Materie genauer zu untersuchen."
Quellen: grenzwissenschaft-aktuell.de / stonybrook.edu / mpg.de
