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Materialwissenschaft: Metall wird transparent unter Druck

Wissenschaftler um Yanming Ma von der Jilin-Universität in China bestätigen in Experimenten, dass Natrium unter enorm hohem Druck einen transparenten und nicht leitenden Zustand einnimmt. Damit verhält es sich anders als andere chemische Elemente, die in diesem Fall eine metallische Phase einnehmen. Theoretisch hatte der Physiker den nun beobachteten Übergang bereits vorhergesagt.

Natrium unter Druck | Liegt der Druck unter 1,5 Megabar, ist Natrium ein silberglänzendes Metall (links bei 1,1 Megabar – also etwa dem millionenfachen Atmosphärendruck). Steigt der Druck weiter an, färbt es sich schwarz (mittleres Bild bei 1,56 Megabar) und rötlich transparent bei 1,9 Megabar (rechts bei 1,99 Megabar). Bei Drücken von rund drei Megabar soll es laut Theorie farblos und durchsichtig werden – wie Glas.
Unter Normalbedingungen und bis hin zu einem Druck von 1,5 Millionen Mal dem der Atmosphäre ist Natrium ein weiches und silberglänzendes Metall. Bei steigendem Druck wird es zunächst schwarz und bei zwei Millionen Bar rötlich transparent, wie die Wissenschaftler um Ma nun in ihrem Experiment demonstrierten. In einer Hochdruckzelle hatten sie eine nur mikrometergroße Probe mit mehr als zwei Megabar zusammengepresst und diese so um das fünffache komprimiert. Ab etwa drei Megabar sollte Natrium der Theorie zufolge einen farblosen und transparenten Zustand annehmen.

Aus Mas Berechnungen ging hervor, dass Natrium bei sehr hohen Drücken eine ungewöhnliche Kristallstruktur annimmt und zu einem Isolator wird. Denn die Atome darin sollten sich bei sehr großer Kompression überlappen und ihre äußeren Elektronen in die "Löcher" zwischen sich drücken. Auf diese Weise zeigen die negativen Elementarteilchen ein äußerst lokalisiertes Verhalten, das letztlich für den Zusammenbruch des metallischen Zustands verantwortlich ist, berichtet Ma. Die Elektronen verhalten sich nun gewissermaßen wie Atome. Womöglich könnte dieser Zustand bei genügend hohem Druck auch in anderen chemischen Elementen erreicht werden.

Bisher war bekannt, dass alle Materialien bei ausreichend hohem Druck metallisch werden, berichtet ein Teammitglied. Dieses Verhalten zeige sich etwa im Innern der Planeten Jupiter und Saturn, wo Wasserstoff unter hohem Druck und hohen Temperaturen in eine metallische Phase übergeht. Das Ergebnis von Ma und seinen Kollegen könnte nun helfen, die Eigenschaften stark komprimierter Materie, wie sie in Sternen oder Gasriesen vorliegt, besser zu verstehen. (mp)

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  • Quellen
Ma, Y. et al.: Transparent dense sodium. In: Nature 458, S. 182–185, 2009

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