Hoher Druck bringt zwei Elemente zusammen, die vom Aufbau her eigentlich nicht passen

Uppsala (Schweden)/Argonne (USA) - Geht nicht gibt's nicht - dachte offenbar ein internationales Forscherteam und machte sich daran, zwei eigentlich inkompatible Elemente doch zu einer Legierung zu verbinden. An und für sich müssen zwei Materialien dafür in ihrer Atom- und Kristallstruktur sehr ähnlich sein, so der bisherige Wissenstand. Doch in theoretischen Berechnungen zeigte sich, dass sich die Unterschiede unter hohem Druck angleichen lassen. Experimente in der Hochdruckkammer bestätigten dann, dass die recht unterschiedlichen Elemente Cerium und Aluminium doch eine Verbindung bilden können. Die so genannte Substitutionslegierung hatte auch außerhalb der Druckkammer Bestand, berichten die Forscher im Fachblatt "Proceedings of the National Academy of Science" (PNAS). Ziel der Forscher ist nun die Suche nach weiteren unbekannten Legierungen mit möglicherweise ganz neuen mechanischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften.

"Diese Entdeckung eröffnet die Möglichkeit, neue Cerium-Aluminium-Legierungen mit anderen Verhältnissen zu finden, ebenso wie Legierungen mit Cerium und anderen inkompatiblen Elementen", erklärt Rajeev Ahuja, Physikprofessor an der Universitet Uppsala. Gemeinsam mit Ho-kwang Mao, Professor an der Carnegie Institution of Washington, und Kollegen rund um die Welt konstruierten sie die Legierung Ce3Al. Beteiligt waren Forscher der chinesischen Zhejiang University, der Stanford University, des SLAC National Accelerator Center, des schwedischen Royal Institute of Technology und des Argonne National Laboratory in Illinois.

Bislang galt, dass zwei Elemente für eine Legierung zumindest in punkto Kristallgitter, Atomradius und Elektronegativität eine große Ähnlichkeit aufweisen müssen. Elektronegativität beschreibt die Fähigkeit von Atomen in einer chemischen Bindung, das gemeinsame Elektronenpaar an sich zu ziehen. Ist eines von beiden deutlich stärker, so kommt es zur polaren Bindung oder gar zur Trennung in einzelne Ionen.

Obwohl die Unterschiede der großen Cerium- und kleinen Aluminiumatome recht deutlich sind, ließen sie sich in der Hochdruckkammer bei Raumtemperatur (298 Kelvin) annähern. In zwei Schritten entstand aus einer intermetallischen Verbindung der beiden Elemente ab einem Druck von mehr als 15 GigaPascal ein metallisches Glas und ab 25 GigaPascal eine kubisch-flächenzentrierte ungeordnete Legierung. Sowohl die vorhergegangenen Berechnungen als auch die Messungen mit Synchrotron-Röntgenstreuung und Absorptionsspektroskopie zeigten, dass sich Atomradius und Elektronegativität von Aluminium und Cerium angenähert hatten, vor allem durch Elektronenverschiebung und Volumenveränderung beim Cerium. Obwohl dies sich unter Normaldruck wieder aufhob, blieb die neue Legierung bestehen.