Das glaube ich nicht
Gummi ist elastisch – aber Diamant? Das Material gilt eigentlich als das genaue Gegenteil davon. Doch Forscher haben nun herausgefunden, dass Diamanten tatsächlich erstaunlich biegsam und flexibel sein können: in der Form von winzigen, nur wenige hundert Nanometer großen Nadelstrukturen. In der Welt des Winzigkleinen zeigt das Material demnach ungeahnte Eigenschaften. Diese Erkenntnis könnte den Weg für neue diamantbasierte Anwendungen ebnen.
Diamant ist ein Material der Superlative: Die Modifikation des Kohlenstoffs gilt aufgrund ihrer besonderen Kristallstruktur als kostbarstes aller Minerale und ist die härteste natürliche Substanz der Erde. Einher mit dieser Härte geht allerdings eine weniger „glanzvolle“ Eigenschaft. Diamanten brechen leicht. Niemand würde wohl auf die Idee kommen, die Edelsteine als biegsam oder elastisch zu bezeichnen. Doch Wissenschaftler um Amit Banerjee von der Universität Hong Kong haben nun trotzdem versucht, das unnachgiebige Material beugsam zu machen. Dafür drangen sie in die Nanowelt vor. Schließlich ist bekannt: Reduziert auf die Größe von Atomen entwickeln viele Materialen plötzlich neue Charakterzüge, die sie im Makromaßstab nicht zeigen.
Flexible Nano-Nadeln
Ob das auch für Diamant gilt? Das testeten die Forscher, indem sie einen ultradünnen Film aus künstlichem Diamant kreierten und daraus schließlich winzige nadelförmige Strukturen formten. Diese Diamant-Nadeln waren 300 Nanometer lang – eine herkömmliche Nadel ist im Vergleich geradezu gigantisch groß. Es folgte der Test: Die Wissenschaftler drückten die feinen Nadeln vorsichtig herunter und beobachteten sie dabei durch ein Rasterelektronenmikroskop. Das Ergebnis: Tatsächlich ließen sich die Diamantstrukturen bis zu einem gewissen Punkt biegen, ohne zu brechen. Ließ die auf sie wirkende Kraft nach, sprangen die Nadeln wieder in ihre ursprüngliche Form zurück.
Erst bei einer Zugspannung von 89 bis 98 Gigapascal begannen die einkristallinen Diamant-Nadeln schließlich zu brechen. Das entspricht einer Verformung von bis zu neun Prozent. Nadeln aus mehreren Kristallen waren zwar nur rund halb so flexibel. Doch auch sie zeigten noch eine erstaunlich hohe Biegsamkeit, wie das Team berichtet. „Es war sehr überraschend zu sehen, welch einer elastischen Verformung der Diamant im Nanomaßstab standhalten konnte“, sagt Mitautor Daniel Bernoulli vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Zum Vergleich: Gewöhnliche Diamanten in Makrogröße können sich noch nicht einmal um ein Prozent verbiegen, ohne Schaden zu nehmen. „Das Limit liegt deutlich darunter“, konstatiert Bernoulli.
Fast vollkommen
Die nun erreichten neun Prozent liegen dagegen sehr nahe an der theoretischen Grenze für das Material. Dieser Wert wird durch die Eigenschaften der Atombindungen bestimmt, wie Javier Lorca von der Polytechnischen Universität Madrid in einem Kommentar zur Studie erläutert: „Es ist allerdings schwierig, dies in der Praxis zu erreichen. Denn schon kleinste Defekte im Festkörper führen zum Bruch, lange bevor sich die Bindungen zwischen den Atomen bis zu ihrem theoretischen Limit gedehnt haben.“ Der Maximalwert aus der Literatur gilt demnach nur für absolut vollkommene Diamanten. Simulationen der Forscher bestätigten, dass ihre Ergebnisse tatsächlich auf den Mangel an Fehlern in den winzigen Diamant-Nadeln sowie auf deren relativ glatte Oberfläche im Vergleich zu Diamant im Mikro- oder größerem Maßstab zurückzuführen sind.
Die Erkenntnis, dass das vermeintlich unnachgiebige Material in der Welt des Winzigkleinen erstaunlich flexibel ist, könnte in Zukunft Tür und Tor für zahlreiche Anwendungen öffnen – im Bereich der Optoelektronik ebenso wie in der Medizin. So wurde Diamant in der Vergangenheit zum Beispiel bereits als mögliche biokompatible Fähre für den Transport von Medikamenten in das Innere von Zellen diskutiert, wie die Wissenschaftler berichten. Die Kombination aus Härte und Flexibilität könnte für solche Entwicklungen außerordentlich interessant sein.
Quelle: Amit Banerjee (Universität Hong Kong, China) et al., Science, doi: 10.1126/science.aar4165
