Von: Dennis L.
Nanotwin-Diamanten

Künstliche Diamanten sind härter als das Original

Forscher haben erstmals einen künstlichen Diamanten hergestellt, der sein natürliches Vorbild in Härte und Hitzebeständigkeit deutlich übertrifft. Die Kristallstruktur des künstlichen Diamanten ähnelt an seiner Grenzfläche einem Bild und einem Spiegelbild, was ihm besonders robust macht.

Wenn aus Kohlenstoff künstliche Diamanten werden.
© Rob Lavinsky / rocks.com

Qinhuangdao (China). Diamanten schneiden Glas und keramische Materialien oder werden zum Sägen oder Bohren besonders harter anderer Materialien benötigt. Spezialwerkzeuge mit Diamanten kommen beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Dentaltechnik oder bei der Uhrenherstellung vor. Doch Auch wenn Werkzeuge mit Diamantspitzen unverzichtbar sind, so haben sie einen gravierenden Nachteil: Bei der Bearbeitung entsteht Hitze, welche nach und nach die Diamantspitze zersetzt.

Der Forscher Quan Huang und seine Kollegen von der Yanshan Universität in Qinhuangdao haben nun einen sogenannten Nanotwin-Diamanten erschaffen, der wesentlich härter und hitzebeständiger als sein natürliches Vorbild ist. Die Erzeugung solcher ultraharten Materialien ermöglicht es völlig neue Werkzeuge zu prodozieren, wie die Forscher im Fachmagazin Nature berichten.

Die Schwachstellen natürlicher Diamanten

"In der Luft beginnen natürliche Diamanten bei rund 800 Grad Celsius zu oxidieren", erklärt Huang. Werden diese Temperaturen beim Bearbeiten erreicht, führt dies zu einem erheblichen Verschleiß von Diamantwerkzeugen. Aus diesem Grund versuchen viele Forschergruppen weltweit seit Jahren Materialien herzustellen, die genauso hart wie Diamanten sind, jedoch deutlich hitzebeständiger.

Theoretisch könnten Materialien diese Eigenschaften aufweisen, wenn die Mikrostrukturen in einem Diamanten verkleinert und zudem die Grenzflächen im Kristall so angeordnet werden, dass sie jeweils parallele Grenzflächen bilden. Ähnlich wie sich Bild und Spiegelbild gegenüber stehen. Bislang gelang es aber keinem Forscherteam einen solchen Nanotwin-Diamanten aus Graphit oder anderen natürlichen Kohlenstoffvarianten künstlich herzustellen.

Vom Kohlenstoff zum künstlichen Diamanten

Huang und seine Kollegen haben für ihr Experiment eine spezielle Form des Kohlenstoffs gewählt, den Onion-Carbon (zu deutsch: Zwiebel-Kohlenstoff). Dabei handelt es sich um kleine, sehr robuste Kohlenstoffkugeln, die aus konzentrischen, graphitähnlichen Schalen bestehen. Diese Kohlenstoffkugeln lassen sich leicht in großen Mengen produzieren, wie die Forscher betonen. Der Kohlenstoff wird in einem Spezialofen auf 1.850 bis 2.000 Grad Celsius erhitzt und einem Druck von acht bis 25 Gigapascal ausgesetzt. Dies entspricht in etwa dem Druck, wie er im Erdmantel in mehreren hundert Kilometern Tiefe herrscht.

Nachdem der Kohlenstoff diese zwei Verfahren durchlaufen hat, ist er ein transparenter Diamantkristall, dessen Mikrostruktur die gewünschten Nanotwin-Formation aufweist. Eine anschließende Untersuchung mit Hilfe der Röntgenkristallografie zeigt, dass die einzelnen Nanotwin-Einheiten lediglich fünf Nanometer dick waren.

Die künstlichen Diamanten auf dem Prüfstand

Die entscheidende Frage war nun, wie robust die künstlichen Diamanten waren. Da setzten die Forscher den Kunstdiamanten ein einer Presse extremen Druck aus. So kontrollierten sie, wann im künstlichen Diamanten Verformungen oder Risse auftraten. "Sowohl in der Härte als auch in der Bruchfestigkeit übertreffen unsere Nanotwin-Diamanten alle bisher bekannten Diamanttypen oder Werkzeugmaterialien", so Huang und seine Kollegen.

Die Nanotwin-Diamanten bewährten sich auch im Hitzetest. Während natürliche Diamanten schon bei 780 Grad Celsius erste Auflösungserscheinungen zeigen, traten diese bei den Nanotwin-Diamanten erst bei 980 Grad Celsius auf. "Diese Diamanten haben damit unübertroffene mechanische Eigenschaften", so die Forscher.

Nach Ansicht der Forscher zeigt die erfolgreiche Synthese der Nanotwin-Diamanten, dass die gewählte Mikrostruktur ein effektiver Weg ist, um die Härte, Bruchfestigkeit und thermische Stabilität von ultraharten Materialien weiter zu erhöhen. Dieser Ansatz ist 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 optimieren zu können.

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