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Exotische Metalle: Unter Hochdruck

Zwei Physiker wollen Wasserstoff in ein exotisches Metall umgewandelt haben, das eigentlich nur im Herzen von Riesenplaneten existieren sollte. Nun müssen sich die beiden der Kritik stellen.
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Mikhail Eremets und Ivan Trojan arbeiten nur mit den allerbesten Diamanten in Edelsteinqualität. Nichts anderes kann den Kräften in den Experimenten der beiden Physiker standhalten: Sie pressen die Spitzen der Diamanten so lange zusammen, bis der Druck dazwischen Werte erreicht, die man für gewöhnlich am Mittelpunkt der Erde vorfindet.

Eremets und Trojan, beide am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, gehen nicht als Einzige dieser außergewöhnlichen Beschäftigung nach. Die von ihnen verwendete Apparatur, eine so genannte Diamantstempelzelle, gehört zum festen Inventar in Hochdrucklabors. Doch die beiden Wissenschaftler sorgten nun für ordentlich Aufruhr in der Forschergemeinde: Sie wollen Wasserstoff in ihren Zellen so stark zusammengequetscht haben, dass sich dieser von einem zweiatomigen Gas in einen glänzenden, vermutlich einatomigen Festkörper verwandelte, der den elektrischen Strom wie ein Metall leitet.

Die Diskussionen über diese angebliche Entdeckung toben – immerhin eines der begehrtesten Ziele in der Hochdruckforschung –, seitdem Eremets und Trojan ihre Ergebnisse im vergangenen November veröffentlichten [1]. "Wir mussten nur ihre Publikation lesen, um zu sehen, dass sie nicht stimmt", berichtet William Nellis von der Harvard University in Cambridge, US-Bundesstaat Massachusetts. Am Fachbereich Physik beschäftigt sich der Wissenschaftler mit kondensierter Materie und zählt dort zu den lautstärksten Kritikern [2].
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Wasser | Lässt sich Wasserstoff in ein exotisches Metall umwandeln? Zwei deutsche Forscher behaupten, dass ihnen das gelungen sei.

Andere – wie beispielsweise Raymond Jeanloz von der University of California in Berkeley, der neben Planeten auch Materie unter hohen Drücken erforscht – zeigen sich dagegen aufgeschlossen. Mal unabhängig davon, so Jeanloz, ob sich Eremets und Trojans metallischer Wasserstoff schließlich als echt oder falsch herausstellt, "was ich an ihrer Arbeit großartig finde, ist die ungeheure Menge an verschiedenen Experimenten bei diesen extremen Bedingungen. Sie haben den Wetteifer unter einigen Forschergruppen entflammt."

Am 26. Juni werden sich die wichtigsten Personen in dieser Kontroverse in Biddeford im US-Bundesstaat Maine auf einer Fachkonferenz über Hochdruckforschung versammeln. Dort könnte man sich auf einen gemeinsamen Nenner einigen – oder aber es geht hoch her. "Das ist ein sehr intensives Forschungsgebiet", sagt Jeanloz. Seitdem Theoretiker 1935 die Existenz von metallischem Wasserstoff voraussagten [3], versuchen Hochdruckforscher ihn herzustellen – bislang erfolglos. Jeder, der den Erfolg für sich beansprucht, muss mit kompromissloser Kritik von rivalisierenden Gruppen rechnen, insbesondere wenn man bedenkt, worum es geht.

Strahlende Zukunft

Ließe sich metallischer Wasserstoff tatsächlich im Labor erzeugen, könnten Wissenschaftler ihre Planetenforschung zukünftig am Labortisch betreiben, denn Gasriesen wie Jupiter oder noch größere Exemplare um ferne Sterne besitzen davon vermutlich große Mengen in ihrem Inneren. Darüber hinaus weist dieser Fund womöglich den Weg zu völlig neuen Hochdruckphänomenen. "Wasserstoff ist das einfachste Atom, das einfachste Molekül und vielleicht der komplizierteste elementare Feststoff", sagt Arthur Ruoff, der sich an der Cornell University in Ithaca der Hochdruckforschung widmet. Der Physiker Neil Ashcroft von derselben Universität spekulierte 1968, dass fester metallischer Wasserstoff möglicherweise ein Supraleiter sei [4]. 2004 gingen Berechnungen von Ashcroft und anderen Wissenschaftlern einen Schritt weiter. Demnach können sich Wasserstoffatome unter bestimmten Kombinationen von Druck und Temperatur von selbst zu einer neuen Art von Quantenflüssigkeit anordnen. Diese sollte sowohl Eigenschaften von Supraleitern, die den elektrischen Strom ohne Widerstand leiten, als auch von Supraflüssigkeiten aufweisen, die ohne innere Reibung strömen [5].

"Ich kenne niemanden, der ihren Anspruch für berechtigt hält"
(Arthur Ruoff)

So ein exotisches Verhalten wird besonders interessant, wenn sich einige dieser Phasen des Wasserstoffs als metastabil erweisen. Denn dann könnten die Phasen ihre unter Hochdruck eingenommene Form auf unbestimmte Zeit beibehalten, selbst wenn die äußeren Kräfte nachlassen – ähnlich wie Diamanten, die sich bei hohen Temperaturen und Drücken tief in der Erde formten: Treten die Edelsteine zu Tage, bleiben sie weiterhin als Diamanten bestehen, anstatt sich sofort in die stabilere Form von Kohlenstoff, Graphit, umzuwandeln.

Nellis und andere Wissenschaftler haben sich bereits eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für metastabilen metallischen Wasserstoff ausgedacht, angefangen bei superleichten Strukturmaterialien, mit denen sich etwa auf dem Meer schwimmende Städte bauen ließen, bis hin zu Raketentreibstoff, dessen Energiedichte diejenige des derzeit in den leistungsstärksten Raketen verwendeten flüssigen Wasserstoffs fast um das Vierfache übertrifft [6].

Zunächst gilt es aber, die Machbarkeit zu überprüfen: Diamantstempelzellen arbeiten nur mit verschwindend kleinen Proben: Das Volumen von Eremets und Trojans Wasserstoffproben betrug etwa 160 Kubikmikrometer und ist damit etwas winziger als eine durchschnittliche menschliche Zelle. Hochdruckexperimente sind zudem fehlerträchtig. Und selbst die erfahrensten Wissenschaftler laufen Gefahr, sich selbst ein Schnippchen zu schlagen. Die große Frage ist nun, ob Eremets und Trojan dazugehören.

In ihren Experimenten starteten die Physiker aus Mainz mit jeweils zwei zu Brillanten geschliffenen Diamanten. Die Spitze der Edelsteine trimmten sie zu einer ebenen Fläche, oder Kalette, mit einem Durchmesser von 20 bis 30 Mikrometern und richteten die beiden Diamanten dann mit den abgeschnittenen Spitzen zueinandergewandt so aus, dass sich diese nahezu berühren. Zwischen den beiden Edelsteinen lag eine Metallfolie mit einem kalettengroßen Loch, die später die winzige Experimentierkammer abdichten sollte.

Ein dunkles Juwel

Bei jedem Durchlauf ihres Versuchs füllten Eremets und Trojan zunächst Wasserstoffgas in das Loch und zogen dann eine Reihe von Schrauben fest, wodurch sich die Diamanten einander annäherten. Sowie die Kaletten in die Folie am Rand des Lochs drückten, verformte sich das Metall um sie herum und schloss den Wasserstoff zwischen den beiden Edelsteinen ein. Konzentrierte sich die Kraft, die durch die Schrauben ausgeübt wird, nun auf die beiden Kaletten, schnellte der Druck in der Kammer in die Höhe.

An diesem Punkt gehen Hochdruckexperimente oft schief: Auch wenn die Stempel der Presse aus Diamant – einem der härtesten bekannten Materialien – hergestellt sind, dringt Wasserstoff unter enorm hohem Druck üblicherweise in die Edelsteine ein. Das lässt sie spröde werden und wie billige Plastikbecher zersplittern. Gleichzeitig macht der eindringende Wasserstoff die Diamanten undurchsichtig, und die Physiker können nicht mehr sehen, was in der Kammer geschieht. Eremets und Trojan beheben dieses Problem, indem sie die Edelsteine mit einer halbtransparenten Beschichtung versehen und so vor dem Eindringen von Wasserstoff schützen. Dennoch brauchte es etwa 100 Diamantenpaare, bis sie die Schwachstellen ihrer Apparatur ausgemerzt und Testläufe und Kontrollen durchgeführt hatten.

Als der Druck innerhalb der Experimentierkammer 200 Milliarden Pascal (200 GPa) erreicht hatte – das entspricht rund dem zweimillionenfachen Luftdruck auf Meereshöhe –, machten die beiden Physiker mittels spektroskopischer Analysen eine interessante Beobachtung: Die zweiatomigen Wasserstoffmoleküle in der Probe schienen auf einmal in einer Weise miteinander in Wechselwirkung zu treten, wie man sie in einem Festkörper erwarten würde.

Bei 220 GPa verdunkelte sich der Probenraum: ein weiteres Anzeichen dafür, dass der Wasserstoff offenbar eine kondensierte Phase angenommen hatte. Eremets und Trojan feuerten Laserpulse durch den durchsichtigen Diamanten auf die Probe und konnten daraufhin winzige elektrische Ströme an den Kupfer- und Goldelektroden auf den Kaletten messen. Dieses Verhalten ist charakteristisch für Halbleitermaterialien, in denen die Elektronen nur einen kleinen Energieschub benötigen, um aus ihrem Atom zu entkommen und als Leitungselektron zu fungieren.

Bei 240 GPa registrierten Eremets und Trojan sogar ohne Laserpulse winzige elektrische Ströme. Demnach könnten die thermischen Schwingungen der Atome bei Raumtemperatur bereits ausreichen, um die Elektronen in einen leitenden Zustand zu bringen. Bei rund 270 GPa sank der elektrische Widerstand der Proben dann plötzlich um mehrere Größenordnungen ab, während sich die Molekülschwingungen des Wasserstoffs verlangsamten und ihr Verhalten auf einen Phasenübergang hindeutete. Zudem glänzten die Proben wie ein Metall.

Wo liegt der Fehler – so es denn einen gab?

"Es ist schwer, auf Daten wie diesen zu sitzen", berichtet Eremets. Ihre Ergebnisse seien zumindest vereinbar mit der Erzeugung von metallischem Wasserstoff, sind er und Trojan überzeugt. Andere Wissenschaftler sind dagegen nicht so sicher. Skeptiker mahnen an, dass in Experimenten wie diesen überall Fallstricke lauern. Blickt ein Experimentator zum Beispiel durch die Diamanten und sieht, wie sich die Probe plötzlich verdunkelt, wandelt sie sich vielleicht gerade zu einem Festkörper – oder aber der Wasserstoff reagiert mit der Folie oder anderen Verunreinigungen, wobei sich Metallhydride bilden.

Misst man an den Kalettenelektroden unerwartet elektrische Signale, zeigen diese womöglich eine neue Phase des Wasserstoffs an. Oder aber die diamantenen Stempel verformen sich allmählich, wodurch die Elektroden kurzgeschlossen werden oder Störsignale hervorrufen. Solcher Tücken sei man sich wohl bewusst, beteuert Eremets, und er und Trojan hätten ihr Bestes getan, um sie zu vermeiden. Dessen ungeachtet meint Ruoff: "Ich kenne niemanden, der ihren Anspruch für berechtigt hält."

Eine Tatsache bereitet Ruoff und anderen Kritikern allerdings Schwierigkeiten: Der Widerstand der Probe steigt, wenn die Temperatur fällt. Dies steht im Gegensatz zum normalen Verhalten von Metallen, bei denen der Widerstand mit der Temperatur sinkt. Die wissenschaftlichen Gutachter des umstrittenen Papers sprachen das Thema vor seiner Veröffentlichung an, und Eremets argumentierte damals erfolgreich, dass der Anstieg zu einem ungeordneten Metall passe, in dem die atomare Struktur eher an Glas als an einen Kristall erinnert.

Materialforscher Russell Hemley von der Carnegie Institution of Washington in Washington, D.C., zweifelt noch aus einem anderen Grund an den Ergebnissen von Eremets und Trojan: Würde der Wasserstoff tatsächlich metallisch, müsste der von den beiden Physikern beschriebene Glanz bei optischen Wellenlängen durch ein gleich starkes Reflexionsvermögen im infraroten Wellenlängenbereich begleitet werden. Nur gelang es Eremets und Trojan nicht, gute Infrarotdaten von ihren Proben zu gewinnen.

"Unsere Messungen sind nicht perfekt"
(Mikhail Eremets)

In seinen eigenen Experimenten bei ähnlichem Druck, fährt Hemley fort, erwies sich Wasserstoff als durchlässig im Infrarotbereich. Darüber hinaus berichten Hemley und seine Kollegen in einer im April erschienenen Publikation über Hinweise darauf, dass Wasserstoff selbst bei Drücken von bis zu 360 GPa seinen zweiatomigen Charakter beibehält und sich nicht zu einem einatomigen Metall wandelt [7]. Und als wäre die Situation nicht schon verfahren genug, erwägen einige Theoretiker ganz neue Bindungsmuster für Wasserstoff: Damit könnten womöglich auch intakte Wasserstoffmoleküle metallische Eigenschaften aufweisen, wenn sie nur genug Druck erfahren [8].

Graphenähnlicher Wasserstoff?

Eremets und Trojan stehen ihren Mann. "Unsere Messungen sind nicht perfekt", räumt Eremets ein, aber er besteht darauf, dass "metallischer Wasserstoff eine zulässige Interpretation bleibt". Der Physiker aus Mainz verweist auf eine im März erschienene Veröffentlichung von Wissenschaftlern um Eugene Gregoryanz, Physiker an der University of Edinburgh in England [9]. Bei etwa 220 GPa "haben sie eine neue Phase, die gleichen Raman-Spektren und eine Verdunkelung der Probe beobachtet", sagt Eremets. Es ist offensichtlich, meint er, dass an diesem Punkt irgendetwas passiert. Gregoryanz und seine Kollegen schreiben ihre Beobachtungen jedoch nicht der Bildung von metallischem Wasserstoff zu, sondern einer vorher unbekannten, graphenähnlichen Phase von molekularem Wasserstoff.

In dem Bemühen, die Situation zu klären, reisten Eremets und Trojan Ende April nach Villigen in der Schweiz, um mit der Synchrotronquelle am dortigen Paul-Scherrer-Institut Infrarotspektren aufzunehmen. Mittels der neuen Daten lassen sich vielleicht Schwingungen in der Gitterstruktur der unter Hochdruck zusammengepressten Wasserstoffproben aufdecken. Anhand dieser Gitterschwingungen könnten Theoretiker dann die spezifische Struktur einer festen Phase identifizieren, erläutert Eremets, die möglicherweise in der Probe existiert. Derartige Informationen über die Probenstruktur würden allerdings nicht automatisch beweisen, dass der Wasserstoff eine metallische Phase eingenommen hat. Doch Eremets und Trojan planen auch gründlichere und umfangreichere elektrische Messungen, die den endgültigen Beweis liefern könnten.

Rückblickend meint Eremets, dass er und Trojan in ihrer Publikation wahrscheinlich zurückhaltender hätten sein sollen. Anstatt nachdrücklich zu behaupten, man habe metallischen Wasserstoff hergestellt – wie es die beiden in der kurzen Zusammenfassung ihres Papers sowie in den abschließenden Absätzen schreiben –, wäre die Botschaft, dass man es vielleicht geschafft habe, wohl besser gewesen.

Unterdessen geht das Rennen um metallischen Wasserstoff weiter. Schließlich führen auch andere Forschergruppen ihre Hochdruckexperimente durch. Jeanloz weist darauf hin, dass sich viele Mitglieder dieser Forschergemeinschaft – er selbst eingeschlossen – im Lauf der Jahre als wissenschaftliche Mitarbeiter, Postdocs, Betreuer und Mentoren vermischt haben, nur um gegenseitig ihre treuesten Kritiker und Rivalen zu werden. So sei es unwahrscheinlich, dass auch nur der geringste Schwachpunkt in einer Beweisführung unangefochten bleibt.

Wegen dieser Dynamik, so Jeanloz und andere Wissenschaftler, entstehe eine kreative Spannung. Diese zwinge schließlich all jene, die angeblich metallischen Wasserstoff erzeugt haben, dazu, selbst die heikelsten Kritiker zu überzeugen – indem sie ausreichend viele Experimente mit ausreichend vielen Kontrollen durchführen und so ausreichend viele Belege anhäufen. Bis dahin scheint die Trophäe noch zu ergattern zu sein.

25. KW. 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25. KW. 2012

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