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Ein neuer Super-Diamant

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Damit aus Kohlenstoff ein Diamant wird, sind extreme Hitze und hoher Druck nötig (thinkstock)
Diamanten sind die härtesten Kristalle, die man kennt. Sie schneiden problemlos selbst Glas, Keramik oder Gestein. Allerdings hat der „unvergängliche“ Edelstein auch eine Schwäche: Bei zu großer Hitze oxidiert er und verliert dann schnell seine Härte. Jetzt haben Forscher erstmals künstliche Diamanten hergestellt, die ihre natürlichen Vorbilder in Härte und Temperaturstabilität deutlich übertreffen. Das Geheimnis dieser Super-Diamanten: Ihre Kristallstruktur weist besonders kleine Einheiten auf, die an ihren Grenzflächen wie Bild und Spiegelbild gegeneinander stehen. Die Erzeugung solcher „Nanotwin“-Materialien ermöglicht die Produktion neuer ultraharter Materialien und Werkzeuge, sind die Forscher überzeugt.

In vielen technischen Bereichen sind Werkzeuge mit Diamantspitzen längst unverzichtbar. Mit ihnen werden Glas, keramische Materialien und Steine gebohrt, geschnitten und geritzt, sie werden in so unterschiedlichen Branchen wie der Automobilindustrie und der Dentaltechnik oder Uhrenherstellung eingesetzt. Dabei gibt es jedoch bisher einen gravierenden Nachteil: Wird das Material zu heiß, zersetzt sich auch die Diamantspitze. „In der Luft beginnen natürliche Diamanten bei rund 800 Grad Celsius zu oxidieren“, erklären Quan Huang von der Yanshan Universität in Qinhuangdao und seine Kollegen. Das führt zu beträchtlichem Verschleiß von Diamantwerkzeugen bei hohen Temperaturen.

Seit langem versucht man daher, Materialien herzustellen, die genauso hart sind wie Diamant, aber hitzebeständiger. Der Theorie nach ist dies möglich, wenn die Mikrostrukturen im Diamant verkleinert werden und gleichzeitig die Grenzflächen im Kristall so angeordnet sind, dass sie jeweils parallele Doppelgrenzen bilden. In der Praxis ist es allerdings bisher nicht gelungen, solche sogenannten Nanotwin Diamanten aus Graphit oder anderen natürlichen Kohlenstoffvarianten zu erzeugen – auch weil dazu große Hitze und enormer Druck nötig sind.

Vom Zwiebel-Kohlenstoff zum Superdiamant

Huang und seine Kollegen haben für ihren Versuch eine spezielle Form des Kohlenstoffs gewählt, den „Onion Carbon“ – Zwiebel-Kohlenstoff. Dabei handelt es sich um sehr stabile Kohlenstoffkügelchen, die aus konzentrischen, graphitähnlichen Schalen bestehen. Diese lassen sich leicht in großen Mengen herstellen, wie die Forscher betonen. Diesen Kohlenstoff erhitzten sie in einem Spezialofen auf 1.850 bis 2.000 Grad und setzten ihn einem Druck von 8 bis 25 Gigapascal aus – das entspricht dem Druck, wie er im Erdmantel in mehreren hundert Kilometern Tiefe herrscht. Das Ergebnis dieser extremen Behandlung war ein transparenter Diamantkristall, dessen Mikrostruktur tatsächlich die gewünschte Nanotwin-Formation aufwies. Das belegten Tests mit Hilfe der Röntgenkristallografie. Die einzelnen Nanotwin-Einheiten waren dabei im Durchschnitt weniger als fünf Nanometer dick, wie die Forscher berichten.

Die entscheidende Frage war nun, wie hart und hitzebeständig dieser künstliche Dimant war. Um das zu prüfen, setzten die Forscher die Kristalle in einer Presse extremen Duck aus und prüften, wann die ersten Risse auftraten und ob sich das Material verformte. Das Ergebnis: „Sowohl in der Härte als auch in der Bruchfestigkeit übertreffen unsere Nanotwin-Diamanten alle bisher bekannten Diamanttypen oder Werkzeugmaterialien“, so Huang und seine Kollegen. Diese Diamanten hätten damit unübertroffene mechanische Eigenschaften. Und auch im Hitzetest bewährten sich die Nanotwin-Diamanten: Während natürliche Diamanten schon bei 780 Grad Auflösungserscheinungen zeigen, begannen die Nanotwin-Diamanten erst bei 980 Grad zu oxidieren.

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„Die erfolgreiche Synthese der Nanotwin-Diamanten zeigt, dass diese Mikrostruktur ein effektiver Weg ist, um die Härte, Bruchfestigkeit und thermische Stabilität von ultraharten Materialien weiter zu erhöhen“, konstatieren die Forscher. Dieser Ansatz sei daher besonders gut dazu geeignet, neue kohlenstoffbasierte Materialien mit außergewöhnlicher Widerstandsfähigkeit zu erzeugen. Huang und seine Kollegen sind davon überzeugt, selbst ihre Rekorddiamanten in dieser Hinsicht noch weiter verbessern zu können.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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