Als Chlorid ist Natrium allgegenwärtig: in unserem Kochsalz. Doch als Alkalimetall hat es jetzt die Wissenschaftler überrascht. Denn wenn es unter hohem Druck geschmolzen wird, sinken seine Schmelztemperatur und Leitfähigkeit ganz plötzlich um das Dreifache. Warum dies so ist, hat jetzt ein internationales Forscherteam herausgefunden und berichtet darüber in der Fachzeitschrift „Nature“.
Wenn man einen Feststoff schmilzt, nimmt dessen Volumen normalerweise zu. Gleichzeitig wird es bei zunehmendem Druck immer schwieriger, ein Material zu schmelzen. Nicht jedoch so beim Natrium. Experimentelle Messungen haben gezeigt, dass die Schmelztemperaturen des Natriums bei zunehmendem Druck radikal sinken: Während bei einem Druck von 30 Gigapascal – das entspricht dem 30.000fachen unseres normalen atmosphärischen Drucks – noch rund 700 Grad nötig sind, schmilzt das Alkalimetall bei 120 Gigapascal bereits bei Raumtemperatur. Und noch etwas ist auffällig: bei etwa 65 Gigapascal sinkt die elektrische Leitfähigkeit plötzlich um das Dreifache ab.
Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien und der FNRS-Universität von Liège in Belgien wollten diesem Verhalten auf den Grund gehen und führten dazu eine Reihe von Simulationen der molekularen Dynamik zwischen Drucken von fünf und 120 Gigapascal durch. Sie sollten die strukturellen und elektronischen Veränderungen im komprimierten Natrium zeigen und damit die Ursache für die überraschende Schmelzkurve des Metalls enthüllen.
„Wir stellten fest, dass geschmolzenes Natrium druckabhängige strukturelle und elektronische Veränderungen durchlebt, ähnlich denen, wie sie schon vom festen Natrium bekannt sind, aber schon bei einem sehr viel niedrigeren Druck beginnend“, erklärt Eric Schwegler vom Lawrence Livermore National Laboratory.
Das Forscherteam entdeckte, dass sich unter Druck nicht nur die Natriumatome in der Flüssigkeit umordnen, sondern dass auch die Elektronen eine Transformation erleben: Die Elektronenwolken verändern sich und die Elektronen werden manchmal sogar in den Leerstellen des Kristallgitters „gefangen“. Außerdem nehmen die Bindungen zwischen den Atomen bestimmte Richtungen ein. „Ein solches Verhalten ist für eine Flüssigkeit vollkommen neu“, erklärt Schwegler. „Normalerweise erwarten wir, dass Metalle unter Druck kompakter werden.“
(DOE/Lawrence Livermore National Laboratory, 27.09.2007 – NPO)
