Wasserstoffmetall

Metallischer Wasserstoff wird eine Hochdruckmodifikation des Wasserstoffs genannt. Seine Existenz wurde theoretisch vorhergesagt und ist in einem allerersten experimentellen Befund nachgewiesen worden, allerdings nur sehr kurzfristig und nur indirekt auf Grund einer erheblichen Zunahme der Leitfähigkeit.

Grundlagen

Der metallische Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass die jeweils äußersten Elektronen eines Elementes - das sind genau diejenigen, die auch für die chemischen Bindungen zuständig sind - sich im elementaren Zustand im „Leitungsband“ befinden. Da es beim Wasserstoff - im Gegensatz zu allen anderen Elementen - nur ein einziges Elektron je Atom gibt, müsste der Einbau dieses Elektrons in das Leitungsband dazu führen, dass ein Gitter aus Atomkernen (Protonen) resultiert, mit einem Abstand voneinander, der aufgrund nicht vorhandener innerer Elektronen eventuell wesentlich kleiner ist als der Bohrsche Radius, vergleichbar mit einer Elektronen-Wellenlänge (siehe auch Materiewelle).

Vorhersage

Obgleich das Periodensystem der Elemente von einer Spalte mit Alkalimetallen angeführt wird, ist Wasserstoff unter gewöhnlichen Bedingungen selbst kein Alkalimetall. Der Nobelpreisträger Eugene Wigner sagte jedoch voraus, dass sich unter extremem Druck die Wasserstoff-Atome wie die restlichen Elemente der ersten Hauptgruppe verhalten würden und ihren alleinigen Besitz über ihre Elektronen aufgeben würden. D. h. die Elektronen würden sich im „Leitungsband“ aufhalten und sich somit wie in einem metallischen Leiter verhalten.

Entdeckung

Der erforderliche extrem hohe Druck machte eine experimentelle Bestätigung lange Zeit unmöglich. Im März 1996 berichtete eine Gruppe von Wissenschaftlern am Lawrence Livermore National Laboratory, dass sie unerwartet für ungefähr eine Mikrosekunde bei mehreren tausend Kelvin und Drücken von mehr als 10¹¹ Pascal (einer Million Bar) den ersten identifizierbaren metallischen Wasserstoff hergestellt haben. Hiermit war eine sechzigjährige Suche erstmals erfolgreich.

Das Lawrence-Livermore-Team hatte nicht erwartet, dass sie metallischen Wasserstoff herstellen könnten. Sie setzten keinen festen Wasserstoff für ihr Experiment ein, was als Voraussetzung für die Erzeugung von metallischem Wasserstoff angesehen wurde. Außerdem arbeiteten sie oberhalb der Temperaturen, die durch die Metallisierungs-Theorie spezifiziert waren. Weiterhin trat in vorhergehenden Studien, in denen mittels einer Diamanten-Amboss-Zelle Drücke von mehr als 2,5·10¹¹ Pascal (2,5 Millionen Bar) erzeugt wurden, keine Metallisierung auf. Das Team suchte lediglich nach weniger extremen Veränderungen in der Leitfähigkeit.

Die Wissenschaftler waren überrascht, als bei einem Druck von fast 1,4·10¹¹ Pascal (1,4 Millionen Bar) die elektronische Energie der Bandlücke (eine Methode zur Messung des elektrischen Widerstandes) auf annähernd Null fiel.

Die Bandlücke von Wasserstoff beträgt im unkomprimierten Zustand ca. 15 eV. Dies macht Wasserstoff zu einem Isolator, aber bei steigendem Druck fällt die Bandlücke auf ca. 0,3 eV. Da dieser Wert auf die thermische Energie eines Fluids zurückgeführt werden könnte (die Temperatur der Probe erreichte durch die Kompression ungefähr 3000 K), kann der Wasserstoff unter diesen Bedingungen als metallisch angesehen werden.

Astrophysik

Metallischer Wasserstoff sollte in gewaltigen Mengen in den durch Gravitation komprimierten Kernen von Jupiter, Saturn und einigen neu entdeckten extrasolaren Planeten enthalten sein. Da die früheren Vorhersagen, wann die Metallisierung auftreten sollte, noch extremere Bedingungen annahmen als mittlerweile bekannt, müssen diese Vorhersagen korrigiert werden. Es ist davon auszugehen, dass noch wesentlich größere Mengen metallischen Wasserstoffs im Inneren von Jupiter existieren als bisher vermutet, und dass dieser sich dichter unter der Oberfläche befindet. Daraus ergibt sich weiterhin, dass das magnetische Feld von Jupiter, das stärkste aller Planeten in unserem Sonnensystem, wesentlich dichter an der Oberfläche erzeugt wird.

Anwendungen

Eine Methode für die Kernfusion besteht darin, einen Laserstrahl auf Pellets aus Wasserstoff-Isotopen zu richten. Das zunehmende Verständnis für das Verhalten von Wasserstoff unter extremen Bedingungen kann helfen, die Energieausbeute zu steigern.

Siehe auch

• Wasserstoff