Diamant ist das härteste natürliche Material der Erde, leitet Wärme besser als jedes Metall und isoliert elektrisch nahezu perfekt. Eine Eigenschaft sprach ihm die Physik seit über hundert Jahren ab: Strom aus Druck zu erzeugen. Genau das ist einem Team aus Hongkong nun gelungen, und zwar nicht mit einem Edelstein, sondern mit einer Folie, die dünner ist als ein menschliches Haar.
Der zugrunde liegende Effekt heißt Piezoelektrizität und steckt in unzähligen Alltagsgeräten. Verformt man bestimmte Kristalle, verschieben sich in ihrem Inneren die elektrischen Ladungsschwerpunkte, und zwischen den Oberflächen entsteht eine Spannung. Umgekehrt funktioniert es ebenso: Legt man Spannung an, verformt sich der Kristall. Auf diesem Prinzip beruhen Feuerzeugzünder, Ultraschallköpfe in der Medizin, Quarzuhren, Tintenstrahldruckköpfe und Sensoren in Airbags. Voraussetzung dafür ist eine Kristallstruktur ohne Symmetriezentrum, denn nur dann können sich die Ladungen bei Verformung überhaupt gegeneinander verschieben. Diamant erfüllt diese Bedingung nicht: Sein Kohlenstoffgitter ist so gleichmäßig aufgebaut, dass sich alle Verschiebungen gegenseitig aufheben. Der longitudinale piezoelektrische Koeffizient von handelsüblichem Einkristalldiamant beträgt deshalb schlicht null.
Diese Eigenschaft war mehr als eine Randnotiz, denn sie hat Diamant über Jahrzehnte auf eine passive Rolle festgelegt. Das Material bringt eine ungewöhnliche Kombination mit: extreme Härte, hohe Schallgeschwindigkeit, herausragende Wärmeleitfähigkeit, große Durchschlagfestigkeit und eine sehr breite elektronische Bandlücke. Eingesetzt wurde es dennoch überwiegend mechanisch, etwa als Schneidwerkzeug, Schleifmittel oder Schutzschicht. Ein Diamant, der zugleich Sensor sein kann, wäre dagegen ein Werkstoff für Umgebungen, in denen herkömmliche Piezomaterialien versagen, also bei hohen Temperaturen, starker Strahlung oder aggressiven Chemikalien.
Der Ansatz des Teams um Zhiqin Chu und Yuan Lin an der Universität Hongkong bestand darin, das Material in eine Form zu bringen, die es in der Natur nicht gibt. Statt eines massiven Kristalls stellten die Forscher ultradünne Membranen aus polykristallinem Diamant her, also aus einem Material, das aus vielen winzigen Diamantkristallen zusammengesetzt ist. In dieser Form lässt sich Diamant erstmals nennenswert biegen, während ein massiver Stein bei Belastung schlicht bricht. Die Experimente zeigten eine deutliche Abhängigkeit von der Dicke: Die stärkste Antwort trat bei Membranen von etwa fünf Mikrometern auf, was ungefähr einem Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht.
Für die Messung beschichteten die Forscher beide Seiten der Membran mit Goldelektroden und montierten sie auf einen flexiblen Träger aus Polyethylenterephthalat, also demselben Kunststoff, aus dem Getränkeflaschen bestehen. Zwischen Folie und Träger kam Isolierband, um auszuschließen, dass Reibungsladungen des Kunststoffs das Ergebnis verfälschen, ein bekanntes Problem bei solchen Messungen. Beim Verbiegen registrierten die Elektroden einen Spannungspuls, beim Loslassen einen Puls mit umgekehrtem Vorzeichen. Wiederholte man den Zyklus, wiederholte sich auch das elektrische Muster, was genau der Signatur entspricht, die man bei einer echten Polarisation erwartet. Der gemessene piezoelektrische Spannungskoeffizient lag bei rund 82,2 Millivolt-Meter pro Newton und übertrifft damit viele gängige Piezomaterialien, wie die Fachzeitschrift Science Advances berichtet.
Um zu verstehen, warum ein Material, das laut Lehrbuch keinen solchen Effekt zeigen kann, ihn dennoch zeigt, führte das Team Berechnungen aus den physikalischen Grundprinzipien durch. Die Antwort liegt nicht im einzelnen Kristall, sondern zwischen den Kristallen. Polykristalliner Diamant besteht aus zahllosen kleinen Körnern, und an ihren Grenzflächen ist die perfekte Symmetrie des Gitters gestört. Biegt man die Membran, baut sich an diesen Korngrenzen eine Ladungspolarisation auf, wodurch zwischen Ober- und Unterseite eine Potenzialdifferenz entsteht. Der Effekt entsteht also gewissermaßen aus den Unvollkommenheiten des Materials, nicht trotz ihnen. Das Lehrbuchwissen bleibt damit korrekt, es gilt nur für den perfekten Einkristall und nicht für die polykristalline Dünnschicht, wie eine begleitende Darstellung des Wissenschaftsportals Phys.org ausführt.
Die Anwendungsperspektiven ergeben sich aus der Kombination mit den bekannten Stärken des Materials. Denkbar sind selbstversorgende Sensoren, die ihre Energie aus Bewegung oder Vibration beziehen und deshalb keine Batterie brauchen. Weil Diamant biologisch außergewöhnlich verträglich, chemisch unangreifbar und mechanisch praktisch unzerstörbar ist, rücken vor allem implantierbare medizinische Anwendungen in den Blick, etwa Drucksensoren im Körper, die über Jahre ohne Batteriewechsel auskommen. Ebenso interessant sind Einsatzorte, an denen konventionelle Piezokeramiken versagen: in Turbinen, Bohrköpfen, Reaktoren oder in der Raumfahrt, wo Hitze und Strahlung herkömmliche Materialien schnell altern lassen. Auch tragbare Elektronik und winzige Energiegewinnungssysteme werden als Felder genannt.
Vor überzogenen Erwartungen ist gleichwohl zu warnen. Gemessen wurde an Laborproben unter kontrollierten Bedingungen, nicht an einem funktionsfähigen Bauteil. Offen bleiben die Fragen, die über jede Materialinnovation entscheiden: Wie zuverlässig lassen sich solche Membranen in gleichbleibender Qualität und in größeren Flächen herstellen, wie verhalten sie sich nach Millionen Biegezyklen, und wie teuer wird das Verfahren im Vergleich zu etablierten Piezokeramiken, die seit Jahrzehnten in Massenfertigung laufen? Hinzu kommt eine grundsätzliche Einschränkung: Der Effekt beruht auf der polykristallinen Struktur, was bedeutet, dass Korngröße und Korngrenzenverteilung sehr genau kontrolliert werden müssen, damit das Ergebnis reproduzierbar bleibt. Der wissenschaftliche Wert der Arbeit steht davon unabhängig fest, denn sie zeigt, dass eine über hundert Jahre alte Materialregel eine klar definierte Ausnahme hat, und dass diese Ausnahme dort liegt, wo Materialien nicht perfekt sind.
Science Advances, Uncovering piezoelectric effect in polycrystalline diamond membranes; doi:10.1126/sciadv.aea8318