Von Molekül- zu Polymerkristallen
Eine Festphasenpolymerisation (Solid-state Polymerisation) kann hochdichte oder einkristalline Polymere ergeben. Der Prozess wird in Folge von ultraschnellen laserinduzierten Mikroexplosionen ausgelöst, um extreme Bedingungen zu erzielen. Unter hohem Druck im Bereich von Terapascal werden die chemischen Bindungen in den Molekülkristallen umgebaut oder die Moleküle neu angeordnet. Experimente, die das Komprimieren einfacher Molekülkristalle wie etwa Stickstoff, Kohlenmonoxid und Chlorwasserstoff zum Ziel haben, sind derzeit noch nicht abgeschlossen. Grund dafür ist vor allem das äußerst geringe Wissen über die Eigenschaften dieser Moleküle unter extremen Bedingungen. Auch Erkenntnisse über die Eigenschaften der Ausgangselemente sind erforderlich, um die Strukturen von Verbindungen zu verstehen, die gebildet werden können. Das EU-finanzierte Projekt AB INITIO AND QMC (Phase transition and polymerization of molecular solids in ab initio calculations and quantum Monte Carlo simulations) sollte diese Lücke füllen. Das Projektteam verwendete Ab-initio-Zufallsstruktursuchen und Quanten-Monte-Carlo-Algorithmen, um theoretischen Vorhersagen zu liefern, die bei der Synthese einer neuen Klasse von Materialien nötig sind. Die Projektwissenschaftler prognostizierten mehrere stabile Stickstoffphasen bei Terapascal-Drücken. Darunter ist eine geschichtete Struktur, die einen signifikanten Ladungstransfer aufweist. Ein metallisches Stickstoffsalz ist bei hohen Drücken und Temperaturen stabil sowie zeigt Ladungsdichteverzerrungen, die in einem Element unter extremen Bedingungen nicht zu erwarten waren. Die Stabilität der vorgeschlagenen exotischen Strukturen wurde durch die Berechnung von deren Phononenspektren bewiesen. Die Arbeit des Teams konnte unsere Kenntnisse über chemische Bindungen unter Druck erweitern. Es legte außerdem den Grundstein für die Suche nach zusätzlichen Molekülkristallen, die in erweiterte Feststoffe umgewandelt werden können, und nach Möglichkeiten, wie man sie unter Umgebungsbedingungen erhalten kann. Die Erkenntnisse von AB INITIO AND QMC wurden in einer Publikation in dem renommierten Fachjournal Physical Review Letters beschrieben.
Schlüsselbegriffe
Polymerisation, Katalysator, Molekülkristalle, Terapascal, Stickstoff, Quant
