Pentadiamant

Diamant aus Computersimulation ist härter und leichter

Robert Klatt

Der mithilfe einer Computersimulation entdeckte Pentadiamant ist härter als ein natürlicher Diamant und leichter als Graphit. 

Tsukuba (Japan). Diamanten, das härteste natürliche Material der Erde, bestehen aus Kohlenstoffkristallen, bei denen jedes Atom durch starke Bindungen eng mit vier Nachbaratomen verbunden ist. Diamanten, die dichter und stabiler als andere Kohlenstoffstrukturen sind, sind deshalb essenziell für unterschiedliche Anwendungsgebiete der Industrie. Die Wissenschaft sucht deshalb seit langem nach Möglichkeiten zur Herstellung künstlicher Diamanten, die noch härter sind.

Forscher der Tsukuba Universität haben nun in den Physical Review Letters den sogenannten Pentadiamant vorgestellt. Diese neue Diamantform hat das Team um Yasumaru Fujii mithilfe einer Computersimulation, die Kombinationsmöglichkeiten von Kohlenstoffatomen mit Atomhüllen in unterschiedlichen Bindungszuständen untersucht, gefunden.

Hohe Anzahl an Kombinations- und Anordnungsmöglichkeiten

In der sp3-Hybridisierung des Pentadiamant können kovalente Bindungen aus einem Atom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen entstehen, bei der sp2- Hybridisierung verbindet sich ein Atom mit drei weiteren Kohlenstoffatomen. Laut Fujii „haben Kohlenstoff-Alloptrope mit sowohl sp2- als auch sp3-hydrisierten Atomen eine größere Formenvielfalt, weil dies eine größere Zahl von Kombinationen und Anordnungen im Atomnetzwerk ermöglicht.“ Die Wissenschaftler nutzen deshalb für ihre Simulation zwei aus fünfatomigen Ringen bestehende Kohlenwasserstoffe, aus denen die Kristallgitter der gemischten Kohlenstoffatome simuliert wurden.

Leichter als Graphit und härter als natürlicher Diamant

Das Ergebnis der Simulation ist eine dreidimensionale Gitterstruktur, deren Kohlenstoffatome abwechselnd Bindungen mit vier oder drei weiteren Atomen haben. Der Pentadiamant besitzt laut der Dichte-Funktionsperiode eine höhere Druck- und Scherfestigkeit als natürliche Diamanten. Maximal können die ineinander verwobene Kohlenstoff-Fünfecken 1.700 Gigapascal Druck aushalten, bei natürliche Diamanten sind es bis zu 1.200 Gigapascal. Die maximale Scherkräften des Pentadiamant liegt bei 1.163 Gigapascal.

Laut den Physikern „übertrifft er damit die Festigkeit des Diamanten.“ Trotz der hohen Festigkeit ist das Material relativ leicht und besitzt eine Dichte unterhalb der von Graphit. Dies liegt laut den Forschern an der Atomstruktur, deren Ringe ähnlich wie Säulen bei einem Gebäude die Stabilität erhöhen.

Ungewöhnliche Eigenschaften des  Pentadiamant

Außerdem besitzt der Pentadiamant laut der Simulation eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft, die dafür sorgt, dass sich seine Gitterstruktur beim Auseinanderziehen dehnt und der Diamant somit dicker wird. In der Physik spricht man dabei von einer negativen Poissonzahl. Überdies entsprechen die elektrischen Merkmale des künstlichen Diamanten der eines Halbleiters.

Fujii ist der Ansicht, dass der neue Diamant auch praktische Anwendungen ermöglicht. Neben der Verwendung als Schneidematerial und Diamantstempel spricht der Physiker aufgrund der Porosität von einer Nutzung als stabiler Feststoffspeicher für Gase. Obwohl der Diamant bisher nur als Simulation existiert, ist die Herstellung laut seinen Entwicklern mithilfe der konventionellen Copolymer-Synthese-Methoden aus Kohlenwasserstoffen relativ leicht umsetzbar.

Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.125.016001

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