Gold begeistert seit Jahrhunderten mit seinem Glanz, gilt aber aus chemischer Sicht als äußerst langweilig. Dieses Edelmetall reagiert praktisch nicht mit anderen Elementen, was es zu einem idealen Material für Juweliere und Elektronikhersteller macht. Genau aus diesem Grund konnten Wissenschaftler auf der ganzen Welt kaum glauben, was ihnen zufällig im Labor gelungen war. Eine internationale Forschergruppe des SLAC National Accelerator Laboratory und des European XFEL widerlegte eines der Grunddogmen der Chemie. Unter Bedingungen, die denen im Inneren von Planeten ähneln, gelang ihnen das Unmögliche – sie schufen das erste stabile Goldhydrid der Geschichte.
Zufällige Entdeckung während anderer Forschungen
Die Ironie dabei ist, dass diese revolutionäre Entdeckung völlig unbeabsichtigt war. Wissenschaftler des European XFEL in Deutschland untersuchten den Prozess der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Diamanten unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen. Gold sollte dabei als passiver Absorber von Röntgenstrahlen dienen – ein Material, das während des gesamten Experiments chemisch inert bleiben sollte. Das Experiment erforderte Bedingungen, die man sich kaum vorstellen kann. Die Goldproben wurden zusammen mit den Kohlenwasserstoffen einem Druck von über 40 Gigapascal ausgesetzt. Das ist mehr als 400.000 Mal so viel wie der atmosphärische Druck auf Meereshöhe. Anschließend wurde das Material mit ultrakurzen Impulsen eines Röntgenlasers auf eine Temperatur von etwa 2500 Grad Celsius erhitzt.
Die Bedingungen, die während des Experiments herrschten, sind kaum vorstellbar. Der Druck ist höher als im Erdinneren und die Temperatur nähert sich dem Schmelzpunkt von Gold. Unter solchen Bedingungen beginnen selbst die stabilsten Materialien, sich unvorhersehbar zu verhalten. Die Forscher verwendeten Diamantkammern, um extremen Druck zu erzeugen, und beschossen die Proben dann mit Impulsen des Röntgenlasers European XFEL. In diesem Moment begann das Gold, das eigentlich inert bleiben sollte, mit dem Wasserstoff zu reagieren, der aus den zerfallenden Kohlenwasserstoffen freigesetzt wurde. Die neu gebildete Verbindung mit der Formel AuHx, wobei x zwischen null und fast eins variiert, weist Eigenschaften auf, die selbst erfahrene Chemiker überraschen. Die Struktur von Goldwasserstoff besteht aus einem hexagonalen, dicht gepackten Netzwerk von Goldatomen, in dem sich Wasserstoffatome frei bewegen können.
Das Faszinierendste an dieser Verbindung ist der Zustand des Wasserstoffs, den Wissenschaftler als superionisch bezeichnen. In diesem Zustand verhalten sich die Wasserstoffatome wie eine Flüssigkeit und diffundieren frei durch das starre Kristallgitter des Goldes. Dieses Phänomen wurde bisher hauptsächlich in wasserstoffreichen Materialien beobachtet, jedoch nie in goldhaltigen Verbindungen. Der superionische Zustand des Wasserstoffs erhöht die elektrische Leitfähigkeit des gesamten Materials erheblich. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten in der Materialwissenschaft und könnte zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Stoffen unter extremen Bedingungen führen.
Stabilität nur unter bestimmten Bedingungen
Goldhydrid ist ein Material mit sehr spezifischen Anforderungen. Es bleibt nur unter Bedingungen hoher Temperatur und hohem Druck stabil. Sobald die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt ist, zerfällt sie sofort wieder zu normalem Gold mit einer Standardkristallstruktur. Diese Eigenschaft bedeutet, dass Goldhydrid keine direkte Anwendung in Technologien findet, die unter normalen Bedingungen arbeiten. Seine Erforschung liefert jedoch wertvolle Informationen über das Verhalten des Stoffes unter extremen Bedingungen, die im Universum natürlich vorkommen.
Bedeutung für Wissenschaft und zukünftige Technologien
Die Entdeckung von Wasserstoffgold hat eine Bedeutung, die weit über die Chemie hinausgeht. Die Erforschung dieser Verbindung kann Wissenschaftlern helfen, die Prozesse zu verstehen, die im Inneren von Gasplaneten ablaufen, wo Wasserstoff unter ähnlichen extremen Bedingungen vorkommt. Dies wiederum kann zu einem besseren Verständnis der Entwicklung von Planetensystemen beitragen.
„Es ist wichtig, dass wir diese Zustände unter solchen extremen Bedingungen experimentell reproduzieren und modellieren können“, erklärt Siegfried Glanzer, Mitautor der Studie.
Nicht weniger wichtig sind die Auswirkungen auf die Kernfusion. Das Verständnis des Verhaltens von Wasserstoff unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen kann zur Entwicklung von Kernfusionstechnologien auf der Erde beitragen. Die Prozesse, die in Goldwasserstoff ablaufen, ähneln denen, die Sterne antreiben. Diese Entdeckung lässt auch vermuten, dass unter extremen Bedingungen viele andere unerwartete chemische Verbindungen entdeckt werden könnten. Bislang konnten Wissenschaftler ganze Bereiche der Chemie übersehen haben, einfach weil ihnen die entsprechenden Untersuchungsmethoden nicht zur Verfügung standen.
Die in der Angewandte Chemie International Edition veröffentlichte Studie läutet eine neue Ära in der Chemie extremer Bedingungen ein. Sie zeigt, dass selbst chemisch „langweilige” Elemente wie Gold unter bestimmten Bedingungen Überraschungen bereithalten können. Diese Entdeckung zwingt uns, unser Wissen über chemische Reaktivität zu überdenken, und könnte zu einer Revolution in der Materialwissenschaft führen. Realistisch betrachtet existiert Goldwasserstoff nur unter Laborbedingungen und verschwindet sofort, wenn wir zu normalem Druck und normaler Temperatur zurückkehren. Die Entdeckung selbst zeigt jedoch, wie viel wir noch nicht über das Verhalten von Stoffen unter extremen Bedingungen wissen. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass die Wissenschaft uns auch bei Elementen, die wir für gut erforscht hielten, noch immer überraschen kann.
