Unter Druck: Kochsalz kann auch anders

Kochsalz oder Natriumchlorid ist eine Vorzeigesubstanz der Chemie. Seine Kristalle sind besonders einfach und regelmäßig gebaut. Das gilt allerdings nur im Alltag, wies nun eine internationale Forschergruppe um Weiwei Zhang von der Chinesischen Universität für Landwirtschaft in Peking und Artem R. Oganov von der Staatlichen Universität New York in Stony Brook nach. Unter hohem Druck können Natrium und Chlor demnach in verblüffenden Mengenverhältnissen zueinanderfinden, so dass exotisch anmutende Strukturen entstehen. „Wir haben verrückte Verbindungen vorhergesagt und erzeugt, die gegen die Lehrbuchregeln verstoßen“, sagt Weiwei Zhang. Statt des vertrauten 1:1-Verhältnisses komme in diesen Verbindungen ein Natriumatom auf drei oder gar sieben Chloratome und umgekehrt. Einige der Exoten sind sogar unerwartet stabil, berichten die Forscher im Magazin „Science“.

Bereits seit einigen Jahren beobachten Physiker, Chemiker und Geowissenschaftler, dass sich wohlbekannte chemische Verbindungen unter hohem Druck unerwartet verhalten. Unter solchen Bedingungen wird die Stabilität einer Verbindung zunehmend vom Raumbedarf der jeweiligen Kristalle bestimmt: je geringer, desto stabiler. Zhang und Kollegen, darunter Zuzana Konôpková vom Deutschen Elektronensynchrotron in Hamburg, untersuchten nun das Paarungsverhalten von Natrium und Chlor unter extremen Bedingungen. Die aufwendigen Computerberechnungen der Forscher offenbarten mehrere bislang unbekannte Verbindungen, die bei Drücken von mehr als 20 Gigapascal – das entspricht dem 200 000fachen des Atmosphärendrucks – stabil sein könnten.

Die Gruppe stellte zwei dieser Verbindungen in einer Hochleistungspresse mit einer laserbeheizten Druckzelle her. Das Natriumtrichlorid (NaCl3) bildete sich bei einem Überschuss von Chlor und bei Drücken zwischen 20 und 48 Gigapascal. Es zerfiel, wenn der Druck unter 18 Gigapascal sank. Dagegen tauchte das Trinatriumchlorid (Na3Cl) bei einem Natriumüberschuss und erst jenseits von 60 Gigapascal auf, war dann aber bis etwa 20 Gigapascal stabil. Seine Kristalle bestehen aus Schichten von Kochsalz, zwischen denen Schichten reinen Natriums liegen.

Die Resultate könnten ein generelles Umdenken in der Chemie einläuten, meint Oganov: „Schon bei einem moderaten Druck von 200 000 Atmosphären – im Zentrum der Erde herrscht ein Druck von 3,6 Millionen Atmosphären – verliert viel von dem, was wir aus Lehrbüchern wissen, seine Gültigkeit.“