Neue Struktur des Goldes entdeckt

Überraschender Wandel: Wenn Gold sehr schnell komprimiert wird, verhält es sich völlig anders als erwartet. Denn das Edelmetall wird nicht dichter, sondern lockert seine Kristallstruktur, wie Forscher bei Hochdruck-Experimenten entdeckt haben. Ab 220 Gigapascal entsteht so eine kubisch-raumzentrierte Struktur – für Gold etwas völlig Neues. Ungewöhnlich auch: Erhöht man den Druck weiter, wird das Gold sogar flüssig.

Gold ist nicht nur ein begehrtes Edelmetall, es ist auch in chemischer und physikalischer Hinsicht ziemlich ungewöhnlich – und sorgt bis heute für Überraschungen. Denn das gelbglänzende Metall ist außergewöhnlich reaktionsträge und beständig und hat einen einzigartigen Glanz. Zudem werden Goldpartikel im Nanomaßstab zu einem extrem effektiven „Strahlenschlucker“ und reagiert in überraschender Weise auf elektrische Felder.

Normalerweise hat Gold eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur (fcc), bei schneller Kompression aber wird es erst raumzentriert (bcc) udn dann sogar flüssig. © Lawrence Livermore National Laboratory

Gold unter Schock

Jetzt haben Forscher um Richard Briggs vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) eine weitere, verblüffende Eigenheit des Goldes entdeckt. Für ihre Studie hatten sie eine kleine Goldprobe mithilfe eines Laserschocks innerhalb Nanosekunden extrem stark komprimiert. Mittels Röntgenstreuung beobachteten sie, wie sich die Kristallstruktur des Edelmetalls unter dem abrupt steigenden Druck und der parallel zunehmenden Temperatur verändert.

Typischerweise werden kristalline Substanzen wie Gold oder auch Eisen unter hohen Druck immer kompakter, ihr Kristallgitter verdichtet sich. Wenn Gold langsam komprimiert wird, nimmt es daher bevorzugt die sogenannte kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur (fcc) ein. Dabei sind die Goldatome besonders eng gepackt. Diese dichte Struktur behält es selbst bei Drucken höher als im Erdkern bei, wie Briggs und seine Kollegen erklären.

Paradoxer Wandel

Umso überraschender war das Ergebnis bei einer schockartigen Erhöhung des Drucks: Das Gold verhielt sich ab einem Druck von rund 220 Gigapascal völlig anders als erwartet. Unter dem Einfluss des 2,2 millionenfachen Atmosphärendrucks wurde seine Kristallstruktur nicht etwa noch kompakter, sondern sogar lockerer. Die Goldatome bilden nun das weitaus weniger kompakte kubisch-raumzentrische Gitter (bcc), wie die Forscher feststellten.

„Damit haben wir eine ganz neue Struktur des Goldes unter Extrembedingungen entdeckt“, sagt Briggs. Dies sei der erste Nachweis einer solche kubisch-raumzentrierten Struktur des Goldes bei einem so hohen Druck. „Die neue Struktur hat trotz des höheren Drucks eine viel weniger effiziente Packung als im Anfangszustand“, erklärt Briggs. „Das ist überraschend, weil eine große Zahl von theoretischen Modellen das genaue Gegenteil vorhersagen – eine dichtere Packung bei hohem Druck.“

Flüssig trotz Hochdruck

Doch es wird noch überraschender: Erhöht man den Druck noch weiter, beginnt das Gold sogar zu schmelzen. Neben der kubisch-raumzentrierten Phase nimmt der Anteil flüssigen Goldes immer weiter zu. „Die Beobachtung von flüssigem Gold bei 330 Gigapascal ist erstaunlich, denn dies entspricht dem Druck im Erdkern“, sagt Briggs. Bisher wurde flüssiges Gold nur Drücken von maximal einige Gigapascal beobachtet – rund 300 Gigapascal weniger als jetzt beobachtet.

Wie die Forscher erklären, deuten ihre neuen Ergebnisse darauf hin, dass es unter Schockbedingungen einen Tripelpunkt des Goldes oberhalb von etwa 220 Gigapascal gibt. An diesem Punkt liegen flächenzentrierte, raumzentrierte und flüssige Phase des Edelmetalls gleichzeitig vor.

Ganz neue Materialien denkbar

Das bedeutet: Für die Struktur des Goldes kommt es nicht nur auf Druck und Temperatur an, sondern auch darauf, wie schnell sich diese Parameter ändern. Geschieht dies sehr schnell, verhält sich das Edelmetall völlig anders als nach gängigen Modellen erwartet. „Unsere Ergebnisse können damit den Theoretikern helfen, ihre Modelle des Elementverhaltens unter Extrembedingungen zu verbessern“, sagt Briggs.

Gleichzeitig könnte dies darauf hindeuten, dass unter solchen Schockbedingungen auch ganz neue chemische Verbindungen entstehen können. „Das könnte zur Entwicklung neuer Materialien führen, die unter diesen extremen Bedingungen gebildet werden“, sagt Briggs. (Physical Review Letters, 2019; doi: 10.1103/PhysRevLett.123.045701)

Quelle: Lawrence Livermore National Laboratory