Av en lycklig slump och för första gången har ett internationellt forskarteam under ledning av forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory, som tillhör det amerikanska energidepartementet, bildat fast binärt guldhydrid, en förening som består uteslutande av guld- och väteatomer.
Forskarna studerade hur lång tid det tar för kolväten, föreningar bestående av kol och väte, att bilda diamanter under extremt högt tryck och värme.
I sina experiment vid European XFEL (X-ray Free-Electron Laser) i Tyskland studerade teamet effekten av dessa extrema förhållanden i kolväteprover med en inbäddad guldfolie, som var avsedd att absorbera röntgenstrålningen och värma upp de svagt absorberande kolvätena. Till sin förvåning såg de inte bara bildandet av diamanter, utan upptäckte också bildandet av guldhydrid.
”Det var oväntat eftersom guld vanligtvis är kemiskt mycket tråkigt och reaktionsfritt – det är därför vi använder det som röntgenabsorbent i dessa experiment”, säger Mungo Frost, forskare vid SLAC som ledde studien.
”Dessa resultat tyder på att det finns potentiellt mycket ny kemi att upptäcka under extrema förhållanden där effekterna av temperatur och tryck börjar konkurrera med konventionell kemi, och man kan bilda dessa exotiska föreningar.”
Resultaten, som publicerats i Angewandte Chemie International Edition, ger en inblick i hur kemins regler förändras under extrema förhållanden som de som finns inuti vissa planeter eller vätefusionerande stjärnor.
Studier av tät väte
I sitt experiment pressade forskarna först sina kolväteprover till tryck som var högre än trycket i jordens mantel med hjälp av en diamantambosscell. Därefter värmde de proverna till över 3 500 grader Fahrenheit genom att upprepade gånger bestråla dem med röntgenpulser från European XFEL.
Teamet registrerade och analyserade hur röntgenstrålarna spreds från proverna, vilket gjorde det möjligt att fastställa de strukturella förändringarna inuti.
Som förväntat visade de registrerade spridningsmönstren att kolatomerna hade bildat en diamantstruktur. Men teamet såg också oväntade signaler som berodde på att väteatomer reagerade med guldfolien och bildade guldhydrid.
Under de extrema förhållanden som skapades i studien fann forskarna att vätet befann sig i ett tätt, ”superjoniskt” tillstånd, där väteatomerna flödade fritt genom guldets styva atomgitter, vilket ökade guldhydridens ledningsförmåga.
Väte, som är det lättaste grundämnet i det periodiska systemet, är svårt att studera med röntgenstrålning eftersom det endast sprider röntgenstrålning svagt. Här interagerade dock det superjoniska vätet med de mycket tyngre guldatomerna, och teamet kunde observera vätets inverkan på hur guldgitteret spred röntgenstrålningen.
”Vi kan använda guldgitteret som ett vittne för vad vätet gör”, säger Mungo.
Guldhydrid erbjuder ett sätt att studera tätt atomärt väte under förhållanden som också kan gälla för andra situationer som inte är direkt tillgängliga för experiment. Tätt väte utgör till exempel inre delar av vissa planeter, så att studera det i laboratoriet kan ge oss mer kunskap om dessa främmande världar.
Det kan också ge nya insikter om kärnfusionsprocesser inuti stjärnor som vår sol och bidra till att utveckla teknik för att utnyttja fusionsenergi här på jorden.
Utforska ny kemi
Förutom att bana väg för studier av tät väte, erbjuder forskningen också en möjlighet att utforska ny kemi. Guld, som vanligtvis betraktas som ett icke-reaktivt metall, visade sig bilda en stabil hydrid vid extremt högt tryck och temperatur.
Det verkar faktiskt bara vara stabilt under dessa extrema förhållanden, eftersom guldet och vätet separeras när det kyls ner. Simuleringarna visade också att mer väte kunde rymmas i guldgitteret vid högre tryck.
Simuleringsramverket kan också utvidgas bortom guldhydrid.
”Det är viktigt att vi kan producera och modellera dessa tillstånd experimentellt under dessa extrema förhållanden”, säger Siegfried Glenzer, chef för avdelningen för hög energitäthet och professor i fotonvetenskap vid SLAC och studiens huvudforskare.
”Dessa simuleringsverktyg kan användas för att modellera andra exotiska materialegenskaper under extrema förhållanden.”
Mer information: Mungo Frost et al, Synthesis of Gold Hydride at High Pressure and High Temperature, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202505811
