DARMSTADT / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein internationales Team unter Leitung von GSI/FAIR hat erstmals die chemische Bindungsstärke in einem Molekül mit Seaborgium direkt gemessen. Im Fokus stand der Hexacarbonyl-Komplex Sg(CO)6, bei dem die Bindung zwischen Seaborgium und Kohlenmonoxid schwächer ausfällt als nach dem Periodensystem zu erwarten wäre. Als Ursache nennen die Forschenden relativistische Effekte, die die Elektronenstruktur superschwerer Elemente deutlich verschieben. Für die Planung weiterer Experimente mit noch schwereren Atomen wird damit ein entscheidender Messmaßstab etabliert.
Die Chemie superschwerer Elemente sieht in der Praxis oft aus wie ein Wettlauf gegen die eigene Physik: Seaborgium, eines der Elemente mit der Ordnungszahl 106, lässt sich zwar in Kernfusionsreaktionen herstellen, aber nur in winzigen Mengen und mit kurzen Lebensdauern im Sekundenbereich. Genau deshalb ist es bemerkenswert, dass eine Kollaboration unter Leitung eines Forschungsteams von GSI/FAIR in Darmstadt jetzt erstmalig die chemische Stabilität eines Moleküls eines superschweren Elements systematisch untersucht hat. Der Messgegenstand ist dabei kein „beliebiges“ Molekül, sondern der Hexacarbonyl-Komplex Sg(CO)6 mit sechs Kohlenmonoxid-Liganden – ein Molekültyp, der sich nutzen lässt, um Bindungseigenschaften indirekt über die Reaktivität und die beobachteten Reaktionsprodukte auszulesen.
Technisch betrachtet dreht sich das Ergebnis um die Frage, wie stark ein zentrales Atom im Molekül tatsächlich an seine Liganden „andockt“. Im Periodensystem würden viele Trends in Richtung stärkerer Bindungen erwarten: Von Chrom über Molybdän bis Wolfram steigt die Bindungsstärke in den analogen Hexacarbonyl-Verbindungen typischerweise an. Genau an dieser Stelle kommt jedoch die Besonderheit superschwerer Kerne ins Spiel. Laut den Studienergebnissen ist die Bindung in Sg(CO)6 schwächer, als es allein aus der Position des Elements im Periodensystem naheliegen würde. Als Erklärung führen die Forschenden relativistische Effekte an: Durch die hohe Kernladung werden Elektronen in der Nähe des Atomkerns auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die in der Größenordnung nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen. Das verändert die Elektronenstruktur so, dass der ansonsten erwartete Trend umkippt und die effektive Bindung am Ende geringer ausfällt.
Die Messstrategie ist zugleich der Kern der Aussagekraft. Laut dem Team gelang der experimentelle Durchbruch durch schnelle chemische Synthesen mit hohen Ausbeuten, kombiniert mit präzisen Messmethoden für den radioaktiven Zerfall zur Identifikation einzelner Atome. Im Experiment stellten die Forschenden Seaborgium-259 her, für das zwei Kernzustände mit unterschiedlichen, kurzen Lebensdauern unter einer halben Sekunde bekannt sind. Zum Vergleich wurden die kurzfristigen Wolfram-Isotope 161 und 162 erzeugt und ebenfalls in einem Prozessschritt isoliert. Danach stoppte das Setup die Atome in einer Gasatmosphäre, die Kohlenstoffmonoxid enthielt, was zur Bildung der Komplexe führte. Der entscheidende Detektionsmechanismus basiert auf einer Gasströmung, die alle Atome in einen schmalen Kanal mit zwei Detektoren spült: Produkte, die im ersten Detektor chemisch reaktiv bleiben, werden dort erfasst, während das gesuchte unreaktive und flüchtige Hexacarbonyl den ersten Detektor überfliegt und im zweiten Detektor ankommt, der dafür auf tiefe Temperaturen gekühlt ist.
Aus der beobachteten Ausbeute lässt sich dann die Bindungsstärke rückwärts bestimmen. Insgesamt registrierte das Experiment 75 Seaborgium-Atome; drei davon wurden im Hexacarbonyl-Detektor gefunden. Bei Wolfram bildeten dagegen 17 Prozent der Atome die analoge Verbindung. Diese deutlich niedrigere Ausbeute im Fall von Sg(CO)6 wird im Ergebnisbericht in eine quantitative Differenz übersetzt: Die Bindungsstärke liegt demnach um 4 kJ/mol unter derjenigen von W(CO)6. Dr. Alexander Yakushev, Sprecher der Kollaboration, ordnet den Befund dabei ausdrücklich in einen erwartbaren Trendkontrast ein: „Wir konnten erstmalig die Stärke der chemischen Bindung einer Verbindung mit einem superschweren Element messen, nämlich zwischen dem zentralen Seaborgium-Atom und einem Kohlenmonoxid-Liganden. Dies haben wir dann mit der Stärke der gleichen Bindung im Hexacarbonyl des leichteren Homologen Wolfram verglichen“, erläutert er. Und weiter: „Von Chrom über Molybdän zu Wolfram steigt die Bindungsstärke an, sollte also eigentlich in Seaborgium am stärksten sein. Die Messung zeigt jedoch, dass die hohe Kernladungszahl des Seaborgiums seine Elektronenstruktur verändert, was den Trend umkehrt und zu einer schwächeren Bindung führt.“
Auch die theoretische Einordnung passt dazu, wie stark der Messwert zwischen einfachen und vollständigen Modellen unterscheidet. Das Team verweist auf quantenchemische Berechnungen, die den Einfluss der Relativität vollständig berücksichtigen und damit die beobachtete Richtung der Bindungsänderung erklären. Dagegen sagen vereinfachte Modelle ohne diesen relativistischen Anteil eine weiter ansteigende Bindungsstärke voraus. Diese Gegenüberstellung macht deutlich, dass „Relativität“ hier nicht nur ein physikalisches Stichwort ist, sondern die Elektronenverteilung und damit die Chemie im engeren Sinne praktisch bestimmt. Professor Christoph E. Düllmann, Leiter der Abteilungen für die Chemie superschwerer Elemente bei GSI/FAIR und am Helmholtz-Institut Mainz, bringt den organisatorischen und wissenschaftlichen Anspruch auf den Punkt: „Dieses bahnbrechende Experiment wäre ohne interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen rund um die Welt nicht möglich gewesen. Es ergänzt die internationalen Wissenschaftsprogramme bei GSI und FAIR, in denen der Ursprung der Elemente in unserem Universum und ihre Eigenschaften untersucht werden.“
Für die weitere Forschung wirkt das Ergebnis wie ein Startsignal für die nächste Messstufe. Die Kollaboration schreibt, dass bereits Experimente mit noch schwereren Elementen als Seaborgium vorbereitet werden. Genau hier liegt auch der Branchen- und Impact-Aspekt: Während viele Fortschritte in der KI-Entwicklung oder in der Materialforschung schrittweise skaliert werden, ist die Chemie superschwerer Atome ein Feld, in dem experimentelle Methodik, Detektionstechnik und theoretische Modellierung eng gekoppelt sind. Der neue Messmaßstab zeigt, dass sich Bindungsstärken in solchen Extremsystemen nicht nur qualitativ vermuten, sondern mit einem quantitativen Zielwert verankern lassen. Für die Wissenschaft heißt das: bessere Validierung von Modellen, die relativistische Effekte in die Quantenchemie integrieren, und damit verlässlichere Vorhersagen zu chemischen Eigenschaften jenseits der bisher gut untersuchten Bereiche.
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