Hochdruck-Bor-Einkristalle: neue chemische Bindungen entdeckt

  • Hochdruck-Bor-Einkristalle - neue chemische Bindungen entdeckt: Das Gradientenbild der Elektronendichte zeigt einen Ausschnitt aus einem Bor-Kristall, das unter hohem Druck synthetisiert wurde. Die Zentren B1, B4 und B5 markieren die Positionen von Bor-Atomen. Die blauen Punkte zwischen B1 und B4 stehen für ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen. Die drei blauen Punkte, welche B4-B4-B5 verbinden, stehen zusammen mit dem grünen Punkt in der Mitte von B4-B4-B5 für eine zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindung. Bild: Prof. Dr. Sander van SmaalenHochdruck-Bor-Einkristalle - neue chemische Bindungen entdeckt: Das Gradientenbild der Elektronendichte zeigt einen Ausschnitt aus einem Bor-Kristall, das unter hohem Druck synthetisiert wurde. Die Zentren B1, B4 und B5 markieren die Positionen von Bor-Atomen. Die blauen Punkte zwischen B1 und B4 stehen für ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen. Die drei blauen Punkte, welche B4-B4-B5 verbinden, stehen zusammen mit dem grünen Punkt in der Mitte von B4-B4-B5 für eine zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindung. Bild: Prof. Dr. Sander van Smaalen
  • Hochdruck-Bor-Einkristalle - neue chemische Bindungen entdeckt: Das Gradientenbild der Elektronendichte zeigt einen Ausschnitt aus einem Bor-Kristall, das unter hohem Druck synthetisiert wurde. Die Zentren B1, B4 und B5 markieren die Positionen von Bor-Atomen. Die blauen Punkte zwischen B1 und B4 stehen für ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen. Die drei blauen Punkte, welche B4-B4-B5 verbinden, stehen zusammen mit dem grünen Punkt in der Mitte von B4-B4-B5 für eine zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindung. Bild: Prof. Dr. Sander van Smaalen
  • Das Forschungsteam an der Universität Bayreuth, das die Hochdruck-Bor-Einkristalle synthetisiert und analysiert hat (von li.): PD Dr. Andreas Schönleber, Dr. Swastik Mondal, Prof. Dr. Sander van Smaalen (Lehrstuhl für Kristallographie), Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia (Professur für Materialphysik und Technologie), Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky (Bayerisches Geoinstitut).

Ein Forscherteam um Prof. Dr. Sander van Smaalen von der Universität Bayreuth hat gemeinsam mit einer Arbeitsgruppe von der Universität Linköping mittels Röntgenbeugung und daraus erzeugten Gradientenbildern zwei Arten von chemischen Bindungen in Hochdruck-Bor-Einkristallen entdeckt, von denen man bisher nicht wusste, dass sie innerhalb eines Bor-Kristalls existieren können: ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen, die benachbarte ikosaedrische Bor-Cluster verbinden, sowie polar-kovalente zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindungen, die zwischen einem Paar von Atomen aus einem ikosaedrischen Bor-Cluster und einem Atom der interstitiellen B2-Gruppe gebildet werden. Diese Entdeckung ist zunächst einmal für die Grundlagenforschung interessant, könnte aber auch an Bedeutung für die Industrie gewinnen, da die Hochdruck-Bor-Einkristalle einzigartige optische Eigenschaften besitzen und sich durch eine überdurchschnittliche Härte auszeichnen.


Hochdruck-Synthese von Bor-Einkristallen
Bor (B) ist ein chemisches Element, das hinsichtlich seiner Strukturen und vor allem der chemischen Bindungen weniger gut erforscht ist als andere chemische Elemente. Moderne Untersuchungsverfahren mit Synchrotron-Röntgenstrahlung, die grundsätzlich über die Lage der Elektronen und über die Art der chemischen Bindungen in einem Material Aufschluss geben können, ließen sich lange Zeit auf Bor nicht anwenden, weil die dafür notwendigen hochwertigen Einkristalle mit einheitlicher Gitterstruktur nicht zur Verfügung standen.
Erst vor zwei Jahren hat ein Forschungsteam am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky ein zuverlässiges Verfahren entwickeln können, das es ermöglicht, qualitativ hochwertige Bor-Einkristalle unter hohen Drücken zu synthetisieren. Darin sind Ikosaeder, die jeweils aus 12 Bor-Atomen bestehen, in einer durchweg einheitlichen und stabilen Gitterstruktur angeordnet.


Kooperation mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)
Diese Einkristalle wurden mit Synchrotronstrahlung analysiert, d.h.

mit einer intensiven Röntgenstrahlung, die im Teilchenbeschleuniger zu Forschungszwecken gezielt erzeugt wird. Die Arbeiten standen unter der Leitung von Prof. Dr. Sander van Smaalen, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Kristallographie innehat, und Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia, die vor kurzem in Bayreuth eine Heisenberg-Professur für Materialphysik und Technologie bei extremen Bedingungen übernommen hat. Das Bayreuther Team arbeitete eng mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble zusammen, einer der größten Synchrotronstrahlenquellen in Europa. Die hier durch Röntgenbeugung gewonnenen Daten wurden mit speziellen Rechenprogrammen in sog. Gradientenbilder übersetzt. Gradientenbilder geben Auskunft über die unterschiedliche Elektronendichte in einem Material. Sie ermöglichen zuverlässige Rückschlüsse auf die Position und die Stabilität von chemischen Bindungen, die zwischen den Atomen bestehen.
Gemeinsam mit einer Arbeitsgruppe für Theoretische Physik an der Universität Linköping haben die Bayreuther Hochdruckforscher die Gradientenbilder ausgewertet, die bei der Analyse der Hochdruck-Bor-Kristalle entstanden waren. Dabei entdeckten sie die neuen chemischen Bindungen im Hochdruck-Bor-Einkristall.


Originalliteratur:
S. Mondal, S. van Smaalen, A. Schönleber, Y. Filinchuk, D. Chernyshov, S. I. Simak, A. S. Mikhaylushkin, I. A. Abrikosov, E. Yu. Zarechnaya, L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia; Electron-Deficient and Polycenter Bonds in the High-Pressure γ-B28 Phase of Boron; Physical Review Letters, 106, 215502 (2011); doi: 10.1103/PhysRevLett.106.215502


http://www.uni-bayreuth.de


 

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