GSI Darmstadt erforscht Bindung superschwerer Elemente

21. Oktober 2026

Internationales Forschungsteam misst erstmals die Stärke einer chemischen Bindung mit Seaborgium – Ergebnisse in „Nature“ veröffentlicht

Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Wissenschaftlern des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung und FAIR in Darmstadt ist eine besondere Messung gelungen: Erstmals konnte die Stärke einer chemischen Bindung in einer Verbindung mit einem superschweren Element experimentell bestimmt werden. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie sich die chemischen Eigenschaften von Elementen unter extremen Bedingungen verändern.

Im Mittelpunkt der Untersuchung stand das künstlich erzeugte Element Seaborgium (Sg) mit der Ordnungszahl 106. Die Wissenschaftler untersuchten eine Verbindung aus einem Seaborgium-Atom und sechs Kohlenmonoxid-Gruppen, den sogenannten Hexacarbonyl-Komplex Sg(CO)₆.

Das überraschende Ergebnis: Die chemische Bindung ist schwächer, als aufgrund der Stellung des Elements im Periodensystem zu erwarten gewesen wäre. Verantwortlich dafür sind Effekte, die sich mit Einsteins Relativitätstheorie erklären lassen. Die Forschungsergebnisse wurden im renommierten Wissenschaftsjournal „Nature“ veröffentlicht.

Wenn Einsteins Relativitätstheorie die Chemie beeinflusst

Superschwere Elemente mit Ordnungszahlen zwischen 104 und 118 kommen für solche Untersuchungen nicht in ausreichenden Mengen natürlich vor. Sie müssen künstlich in Kernfusionsreaktionen an Teilchenbeschleunigern hergestellt werden.

Das ist aufwendig: Oft entstehen nur wenige Atome pro Tag. Hinzu kommt, dass die erzeugten Atomkerne äußerst instabil sind und innerhalb kürzester Zeit radioaktiv zerfallen.

Bei Seaborgium beeinflusst die hohe positive Ladung des Atomkerns die Bewegung der Elektronen besonders stark. Elektronen in Kernnähe erreichen Geschwindigkeiten, bei denen relativistische Effekte eine wichtige Rolle spielen.

Dadurch verändert sich die Elektronenstruktur des Atoms. Das wiederum hat Auswirkungen darauf, wie das Element chemische Bindungen mit anderen Atomen oder Molekülen eingeht.

Seaborgium verhält sich anders als erwartet

Im Periodensystem gehört Seaborgium zur gleichen Elementgruppe wie Chrom, Molybdän und Wolfram. Innerhalb dieser Gruppe nimmt die Stärke der untersuchten chemischen Bindung von Chrom über Molybdän bis Wolfram zu.

Nach diesem Muster wäre zu erwarten gewesen, dass die entsprechende Bindung beim noch schwereren Seaborgium besonders stark ausfällt.

Die Messungen zeigten jedoch das Gegenteil.

„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“, erklärt Dr. Alexander Yakushev von GSI/FAIR, Sprecher der internationalen Forschungskollaboration.

Quantenchemische Berechnungen, die relativistische Effekte berücksichtigen, können diese Beobachtung erklären. Einfachere Modelle ohne diese Effekte hätten dagegen eine weitere Zunahme der Bindungsstärke vorhergesagt.

Nur 75 Seaborgium-Atome für die Untersuchung

Die experimentelle Untersuchung stellte die Forschenden vor besondere Herausforderungen. Denn die erzeugten Seaborgium-Atome existieren nur für Bruchteile einer Sekunde.

Am GSI/FAIR in Darmstadt wurde das Isotop Seaborgium-259 hergestellt. Die untersuchten Kernzustände besitzen Lebensdauern von weniger als einer halben Sekunde.

Mithilfe der Experimentieranlage TASCA, dem TransActiniden-Separator und Chemie-Apparatur, wurden die erzeugten Atome isoliert und anschließend in eine kohlenmonoxidhaltige Gasatmosphäre geleitet.

Dort konnten sich die untersuchten chemischen Verbindungen bilden. Zwei hintereinander angeordnete Detektoren dienten dazu, die radioaktiven Zerfälle der einzelnen Atome zu registrieren und zwischen unterschiedlichen Reaktionsprodukten zu unterscheiden.

Insgesamt wiesen die Forschenden 75 Seaborgium-Atome nach. Lediglich drei davon wurden im Detektor für die Hexacarbonyl-Verbindung registriert.

Zum Vergleich untersuchte das Team auch kurzlebige Wolfram-Isotope. Bei ihnen bildeten 17 Prozent der Atome die entsprechende Verbindung.

Aus diesem Unterschied konnten die Wissenschaftler ableiten, dass die untersuchte Bindung beim Seaborgium um rund vier Kilojoule pro Mol schwächer ist als beim Wolfram.

Jahrelange Forschung führt zum Erfolg

Die Verbindung Sg(CO)₆ war bereits vor rund zehn Jahren am japanischen RIKEN Nishina Center erstmals hergestellt worden. An dem damaligen Experiment waren unter anderem Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und von GSI/FAIR beteiligt.

Schon damals galt die Verbindung als vielversprechend für die Untersuchung chemischer Bindungsstärken. Erste Versuche, diese tatsächlich zu bestimmen, blieben jedoch erfolglos.

Erst die Kombination aus schnellen chemischen Syntheseverfahren, hohen Ausbeuten und empfindlichen Nachweismethoden für radioaktive Zerfälle ermöglichte nun die erfolgreiche Messung.

Internationale Zusammenarbeit als Grundlage

Professor Christoph E. Düllmann, Leiter der Abteilungen für die Chemie superschwerer Elemente bei GSI/FAIR und am Helmholtz-Institut Mainz sowie Professor an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, hebt die Bedeutung der internationalen Zusammenarbeit hervor.

„Dieses bahnbrechende Experiment wäre ohne interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen rund um die Welt nicht möglich gewesen“, erklärt Düllmann.

Die Untersuchung ergänzt die Forschungsprogramme von GSI und FAIR, die sich unter anderem mit der Entstehung der Elemente im Universum und ihren grundlegenden Eigenschaften beschäftigen.

Nach dem erfolgreichen Experiment bereiten die Wissenschaftler bereits weitere Untersuchungen vor. Künftig sollen auch chemische Verbindungen mit Elementen erforscht werden, die noch schwerer sind als Seaborgium.

(DARMSTADT – RED/GSI)

Beitragsbild: Experimentaufbau hinter dem TASCA-Separator: der erste Detektor hinter der Reaktionskammer, umgeben von zwei Germaniumdetektoren. Foto: GSI