Hochdruckchemie von stickstoffreichen Verbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Maxim Bykov
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459992662

Die zentrale Aufgabe der heutigen Materialwissenschaft und -technologie ist die Entwicklung von Ansätzen zur Herstellung neuartiger Materialien für eine nachhaltige Entwicklung, wie z. B. für umweltfreundliche Materialien, Materialien für die Wasserstoff- und Energiespeicherung sowie für leichte und ultraharte Materialien. Die Synthese unter Extrembedingungen, wie hohem Druck und hohen Temperaturen, ermöglicht neue Wege zu metastabilen und kinetisch gehemmten Verbindungen. Bei der Klasse der Nitride hilft die Anwendung von Druck nicht nur bei der Stabilisierung von bereits erwarteten, „klassischen“ Nitridverbindungen, sondern führt durch die Förderung der Bildung von homonuklearen N-N Bindungen und Polystickstoff-Spezies zu neuen atypischen Verbindungen innerhalb der binären Nitride. Der praktische Nutzen dieser Verbindungen reicht von ultraharten, inkompressiblen Materialien, über Leuchtdioden, Ferroelektrika bis hin zu Materialien mit hoher Energiedichte. Jedoch steht die Hochdruck-Festkörperchemie vor mehreren, grundlegenden Herausforderungen. Reaktionen die unter Hochdruckbedingungen ablaufen sind nicht nur eine Herausforderung für die chemische Intuition, sie entziehen sich dieser in vielen Fällen völlig. Der Hauptgrund dafür ist das Fehlen von systematischen, empirischen Informationen über Reaktionen die oberhalb von 50 GPa ablaufen. Daher dominieren heutzutage Methoden der ab initio Strukturvorhersage die Hochdruckchemie, welche zwar wichtige Informationen für die experimentelle Umsetzung bereitstellen, selbst jedoch unbedingt unabhängiges, experimentelles Feedback benötigen. Des weiteren erlaubt es die Größe der Proben, die mit konventionellen Diamantstempelzellen hergestellt werden können, nicht, alle Eigenschaften des Materials zu untersuchen und limitiert damit auch die praktische Anwendbarkeit dieser Verbindungen. Daher stellt die Entwicklung einer skalierbaren Hochdrucksynthese von neuartigen atypischen Verbindungen den entscheidenden Schritt für die Weiterentwicklung der Hochdruck-Festkörperchemie dar. In diesem Projekt konzentrieren wir uns deshalb auf beide Herausforderungen. Dies beinhaltet die systematische Untersuchung der Hochdruckchemie von Stickstoff und dessen Reaktionen mit Alkali- und Erdalkalimetallen (ionische Polynitride), mit Hauptgruppenelementen (kovalente Polynitride) und mit Übergangsmetallen. Die resultierenden Ergebnisse dienen als Grundlage um die strukturelle und kompositionelle Komplexität der multinären Systeme zu erhöhen und um gezielt Materialien mit gewünschten Eigenschaften, z.B. ferroelektrische Nitrid-Perowskite, herzustellen. Ein weiteres Hauptaugenmerk wird auf der Entwicklung von skalierbaren Syntheseverfahren liegen, um Zugang zu den Bulk-Eigenschaften der neuartigen Hochdruck-Materialien zu bekommen. Diese technologischen Fortschritte werden nicht nur für die Chemie der Nitride sondern darüber hinaus auch für das gesamte Gebiet der Hochdruck-Festkörperchemie von großer Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Großgeräte: Double-sided laser-heating system
• Gerätegruppe: 5750 Spezielle Laser-Mess-Systeme (z.B. Laser-Doppler-Vibrometer)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor Abrikosov