Gold gilt chemisch als äußerst reaktionsträge. Forschende konnten jetzt mit Hilfe des weltgrößten Röntgenlasers European XFEL zeigen, dass dieses Edelmetall unter extremen Bedingungen chemisch aktiver wird. Sie haben eine völlig neue Verbindung aus Gold und Wasserstoff herstellen können: festes Goldhydrid.

Ein internationales Forschungsteam mit DESY-Beteiligung hat untersucht, wie lange es dauert, bis Kohlenwasserstoffe, Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff, unter extrem hohem Druck und Hitze Diamanten bilden. In ihren Experimenten am European XFEL  nutzten sie Kohlenwasserstoffproben mit einer eingebetteten Goldfolie, die die Röntgenstrahlen absorbieren und die schwach absorbierenden Kohlenwasserstoffe erwärmen sollte. Zu ihrer Überraschung beobachteten sie nicht nur die Bildung von Diamanten, sondern entdeckten unter extrem hohen Temperaturen sowie Drücken auch erstmals die Bildung von Goldhydrid, eine chemische Verbindung aus Gold und Wasserstoff. Eigentlich hatte man angenommen, dass Gold kaum mit Wasserstoff reagiert. Die Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für die Chemie unter extremen Probenbedingungen.

Gold gilt als eines der reaktionsträgsten Metalle. Doch bei Druckverhältnissen, wie beispielsweise im Erdinneren herrschen, tut sich etwas bei dem Edelmetall. Forschende an der High-Energy-Density-Experimentierstation (HED) von European XFEL komprimierten Gold mit Hilfe einer Diamantstempelzelle auf über 40 Gigapascal (GPa) und erhitzten es mit ultrakurzen Blitzen des European-XFEL-Röntgenlasers auf rund 2.500 Grad Celsius. Unter diesen Bedingungen reagierte das Gold mit Wasserstoff, der aus Kohlenwasserstoffen freigesetzt wurde. Es bildete sich eine neuartige Gold-Wasserstoff-Verbindung.

„Wir konnten nachweisen, dass das Gitter der Goldatome oberhalb von 40 GPa eine hexagonal-dicht gepackte Anordnung bildet in dem die Wasserstoffatome durch die Zwischenräumen ‚fließen‘“, erklärt Mungo Frost vom SLAC National Accelerator Laboratory. 

Besonders bemerkenswert: Der Wasserstoff in der neu entdeckten Verbindung bewegt sich sehr leicht durch das feste Gitter der Goldatome. Diesen Zustand bezeichnet die Wissenschaft als superionischen Zustand,womit sich die Leitfähigkeit des Goldhydrids erhöht. Diese Eigenschaft wurde bisher hauptsächlich bei wasserstoffreichen Materialien beobachtet, ist in dieser Form bei goldhaltigen Verbindungen jedoch völlig neu.

Beim Abkühlen „zerfällt" das Goldhydrid wieder in normales Gold, das in der Regel eine andere kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur besitzt. Daher vermuten die Forschenden, dass das Goldhydrid nur unter Hochtemperatur-Bedingungen stabil bleibt. „Entscheidend für diese Entdeckung an European XFEL war hier die hohe Zeitauflösung, die wir mit Hilfe des bei DESY entwickelten „AGIPD“-Detektors erreichen konnten“, freut sich DESY-Forscher Cornelius Strohm, dessen Team die Platform für Hochruck-Experimente an der auf hohe Energiedichten spezialisierte HED-Experimentierstation im Rahmen des HIBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields)-Konsortiums betreut. Heinz Graafsma, Physiker bei DESY und Leiter der Detektorentwicklung, ergänzt: „Die AGIPD-Detektoren wurden genau dafür entwickelt, die Lichtblitze von European XFEL mit Wiederholraten von mehreren Millionen pro Sekunden einzeln aufzulösen.“

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass selbst so reaktionsträge Elemente wie Gold unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen ganz neue chemische Eigenschaften aufweisen können“, sagt Ulf Zastrau, Leiter der HED-Experimentierstation bei European XFEL, an der der Versuch durchgeführt wurde. Das Team sieht darin einen Hinweis, dass noch viele weitere unerwartete chemische Verbindungen mit Hilfe von extremer Termperaturen und Drücken erzeugt werden können, die sich mit herkömmlicher Chemie nicht herstellen lassen.

Diese Entdeckung stellt nicht nur ein Novum für die Goldchemie dar, sondern hat darüber hinaus weitreichende Auswirkungen auf Hochdruckexperimente, in denen Gold bisher als völlig inertes Material eingesetzt wurde. Zukünftige Forschungen sollen klären, ob ähnliche Effekte auch bei anderen Edelmetallen auftreten.

Die Untersuchungen wurden am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg durchgeführt, einem der leistungsfähigsten Röntgenlaser der Welt.

Originalveröffentlichung

M. Frost et al., Synthesis of Gold Hydride at High Pressure and High Temperature, Angewandte Chemie International Edition, August 2025. DOI: 10.1002/anie.202505811