Die absolute Härte

„Diamonds are a girl’s best friend” – Diamanten sind die besten Freunde einer jungen Frau –, hauchte einst Marilyn Monroe in dem Hollywoodfilm „Blondinen bevorzugt”. Diese Vorliebe teilte die weltbekannte amerikanische Schauspielerin und Sängerin mit Millionen anderen – und nicht nur weiblichen – Menschen. Aus gutem Grund: Gelten die edlen Steine doch seit Urzeiten als Schmuckstücke der besonderen Art. Bekannt sind sie ungefähr seit dem 4. Jahrtausend vor Christus, als in Indien die ersten natürlichen Exemplare gefunden wurden. Doch Diamanten, die aus nichts weiter als aus banalem Kohlenstoff aufgebaut sind, haben mehr zu bieten als ihre Schönheit: Physiker und Materialforscher schätzen das kristalline Mineral als besonders vielseitig einsetzbaren Werkstoff – und vor allem als das härteste Material der Welt.

Bis vor Kurzem gab es keinen Hinweis darauf, dass noch härtere Stoffe existieren könnten. Doch nun gelang es den Geologen Natalia Dubrovinskaia und Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth sowie Falko Langenhorst, der mittlerweile an der Universität Jena forscht, einen Stoff herzustellen, der einen noch größeren Kompressionsmodul besitzt als natürlicher Diamant. Der Kompressionsmodul ist eine physikalische Größe, die Materialforscher als Maß für die Festigkeit einer Substanz verwenden. Das neuartige Material erreicht seine extrem hohe Festigkeit durch eine außergewöhnliche Struktur: Es besteht aus unzähligen zusammengebackenen Diamant-Nanostäbchen, so genannten Aggregated Diamond Nanorods (ADNR).

Die Wissenschaftler orientierten sich bei der Herstellung dieses exotischen Werkstoffs an den wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) dünnen Röhrchen (Tubes) und Stäbchen (Rods) aus Kohlenstoff, die in der Nanotechnologie bereits eine wichtige Rolle spielen – wegen ihrer nützlichen mechanischen Eigenschaften wie der sehr hohen Bruchfestigkeit und Druckzähigkeit. Die Herstellung der gewöhnlichen Nano-Moleküle haben die Forscher bereits seit einigen Jahren gut im Griff: 1992 gelang es erstmals, aus Kohlenstoff stabile Nanotubes und Nanorods in Mengen von mehreren Gramm zu gewinnen.

Allerdings gab es bis jetzt noch keine Nanostäbchen aus Diamant. Um auch die fertigen zu können, benutzten die Bayreuther Wissenschaftler spezielle Pressmaschinen. Damit die darin erzeugten Nanostäbchen stabil waren, wählten sie brachiale Versuchsbedingungen: Sie setzten käfigartige Fulleren-Moleküle – kleine fußballförmige Cluster aus jeweils 60 Kohlenstoff-Atomen – in einer so genannten Hochdruckstempelzelle einem Druck von 24 Gigapascal aus. Das entspricht dem 240 000-fachen Luftdruck an der Erdoberfläche. Danach erhitzten sie die Fullerene auf rund 2200 Grad Celsius. Damit ahmten die Materialforscher die extremen Bedingungen nach, die im Erdinneren herrschen, an der Grenze zwischen dem oberen und dem unteren Erdmantel.

Derart malträtiert, mutierte die anfangs pulverförmige Substanz zu einem sehr harten Werkstoff: Die Wissenschaftler erhielten längliche Kleinstkristalle, jeder etwa 5 bis 20 Nanometer dick, dabei aber bis über 1000 Nanometer – also einen Mikrometer – lang und teilweise miteinander verwoben. An der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle (ESRF) im französischen Grenoble analysierte ein Forscherteam um Wilson Crichton das neue Material mithilfe von intensivem Röntgenlicht. Das Ergebnis: Die ADNRs sind ein paar Zehntelprozent dichter als herkömmlicher Diamant – und damit die dichteste bekannte Form von Kohlenstoff. Wissenschaftler an der Technischen Fachhochschule in Wildau bei Berlin untersuchten die mechanischen Eigenschaften des neuen Stoffs: Mit 491 Gigapascal liegt sein Kompressionsmodul deutlich über den 442 Gigapascal des natürlichen Diamants. Zum Vergleich: Stahl bringt es nur auf 160 Gigapascal. Er würde damit im Würgegriff der Hochdruckpresse um elf Prozent schrumpfen. Das Volumen der Diamant-Nanostäbchen nimmt dagegen nur um vier Prozent ab.

Die drei Bayreuther Materialforscher haben ihr Verfahren zur Synthese der verschleißfesten und superharten Nanomaterialien bereits zum Patent angemeldet. „Nun suchen wir nach Partnern, um unsere Technologie in industriellem Maßstab einsetzen zu können”, sagt Natalia Dubrovinskaia. Die Chancen dafür stehen gut, denn der neuartige Werkstoff bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

So spielen auf dem Gebiet der Nanotechnologie ultraharte Bausteine, zum Beispiel als Teile einer extrem kleinen integrierten elektronischen Schaltung, eine wichtige Rolle. Aber auch Geologen freuen sich über das neue Material: Es eignet sich hervorragend für Tiefbohrungen in den Untergrund, etwa zum Aufspüren von Bodenschätzen, weiß die Geologin Dubrovinskaia. Die bislang dafür verwendeten Bohrköpfe sind durch die rauen Einsatzbedingungen im harten Gestein rasch verschlissen. Forscher sprechen von einem „abrasiven Effekt”. Wegen ihrer ungewöhnlichen Härte könnten ADNRs die Bohrköpfe davor schützen. Auch zum Beschichten von medizinischen Gelenk-Implantaten ließe sich der nanokristalline Diamant nutzen – er würde deren Haltbarkeit im menschlichen Körper verlängern.

Anerkennung für die Ergebnisse aus Bayreuth zollt Volker Buck, Physiker und Leiter des Arbeitskreises Dünnschichttechnologie an der Universität Duisburg-Essen. Sein Forscherteam versucht ebenfalls, nanokristalline Diamanten herzustellen – allerdings mit einem anderen Verfahren, der so genannten Chemical Vapour Deposition(CVD)-Methode. Sie wird in Deutschland an sehr vielen Universitäten und Instituten zur Herstellung von herkömmlichen künstlichen Diamanten angewandt. Dabei wird in einer Vakuumkammer eine dünne Diamantschicht etwa auf Hartmetallwerkzeugen abgeschieden.

In dem Erfolg, den seine Bayreuther Forscherkollegen mithilfe des Hochdruckverfahrens erzielt haben, sieht Buck einen Durchbruch für die Herstellung sehr widerstandsfähiger Werkzeuge und Maschinenbauteile. Bisher waren dem Diamant beim Einsatz als industriellem Werkstoff Grenzen gesetzt. Er versagte beispielsweise bei der Beschichtung von Stahl und von eisenhaltigen Legierungen, denn der Kohlenstoff löst sich im Stahl. Die Forscher aus Bayreuth sind überzeugt, mit ihren nanokristallinen Diamanten dieses Problem gelöst zu haben. Das könnte der Werkzeugindustrie neue Perspektiven eröffnen. ■

Joachim Eiding