Deutsche Forscher haben herausgefunden, warum sich Diamant mit Diamant schleifen lässt. In einer Computersimulation berechneten die Wissenschaftler, dass sich an der Kontaktstelle zwischen zwei Diamantkristallen eine Schicht ungeordneter Kohlenstoffatome bildet. Dieser amorphe Kohlenstoff ist viel weicher als das Ausgangsmaterial und wird beim Bearbeiten mit der diamantbesetzten Schleifscheibe abgetragen.
Diamant schleift Diamant | Zwischen den beiden Kristallen bildet sich eine amorphe Kohlenstoffschicht, die weich genug ist, um abgetragen zu werden. Zusätzlich reagiert sie mit molekularem Sauerstoff aus der Luft zu Kohlendioxid. Die Farben repräsentieren unterschiedliche Wertigkeiten der Kohlenstoffatome.
Mit dieser Entdeckung lösen die Materialforscher um Lars Pastewka vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik zwei jahrhundertealte Rätsel der Diamantbearbeitung. So wussten Diamantschleifer zwar seit Langem, dass sich das Material in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich leicht schleifen lässt, konnten dies aber ebenso wenig erklären wie die Tatsache, dass Diamant, das härteste natürlich vorkommende Mineral, überhaupt geschliffen werden kann. Normalerweise bedarf es dazu eines härteren Materials.
In der Computersimulation zeigte sich, dass es gleichsam vagabundierende Kohlenstoffatome sind, die das Kristallgitter Stück für Stück abtragen. Der Schleifprozess treibt ungebundene Kohlenstoffatome unter hohem Druck über die Oberfläche, wo sie kurzfristige Bindungen zu Atomen des Kristallgitters eingehen. Wenn diese Bindung stark genug ist, entreißen sie dem Kristallgitter ein Atom, das anschließend selbst in der Grenzschicht umherwandert und andere Kohlenstoffatome befreien kann. Die entstehende Schicht aus amorphem Kohlenstoff ist viel weniger stabil, so dass die diamantbesetzte Schleifscheibe sie abhobelt.
Die Kraft, mit der ein Atom ein anderes aus dem Kristall herausbrechen muss, hängt von der Schleifrichtung ab und davon, wie ein Oberflächenatom an die tieferen Schichten des Kristalls gebunden ist. In der "weichen" Kristallrichtung brechen die Bindungen schon bei drei bis vier Elektronvolt, in der "harten" Richtung erst etwa bei sechs. Eine Folge dieser als Anisotropie bezeichneten Eigenschaft ist, dass man Oberflächen in polykristallinen Diamanten – also solchen, die aus mehreren verschieden orientierten Kristallkörnern bestehen – nicht völlig eben abschleifen kann. In vielen Anwendungen, die solche Oberflächen benötigen, kann man Diamant deshalb bisher nur schwer einsetzen. (lf)
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