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Materialwissenschaft: Härter als Diamant

Eine theoretische Arbeit zeigt, dass reines Wurtzit-Bornitrid unter hohem Druck eine höhere Eindringhärte als Diamant aufweist. Die beteiligten Wissenschaftler gehen zudem davon aus, dass Lonsdaleit – auch als hexagonaler Diamant bekannt – unter diesen Umständen ebenfalls deutlich härter ist. Derart harte Materialien könnten etwa in Schneid- und Bohrwerkzeuge eingesetzt werden, aber auch als beständige Beschichtungen für allerlei Anwendungen von der Elektronik bis hin zur Raumfahrttechnik.

Zicheng Pan von der Shanghai Jiao Tong University und seine Kollegen konzentrierten sich in ihren Berechnungen auf die Kristallstruktur des Minerals Wurzits, einer Form des Zinksulfids, bei verschiedenen Belastungen. Dabei zeigte sich, dass das Material unter hohem Druck einen Phasenübergang vollzieht, bei dem das Kristallvolumen zwar erhalten bleibt, aber atomare Bindungen umklappen. Die neue Struktur weist im Vergleich zu vorher eine um nahezu 80 Prozent erhöhte Eindringhärte auf, berichten die Wissenschaftler, und eine rund ein Fünftel höhere als Diamant. Diese Größe gibt an, wie stark sich der Körper bei Eindrücken durch eine Last verformt.

Die Forscher erweiterten ihre Theorie auch auf das natürlich vorkommende Material Lonsdaleit und glauben, dass dieses unter Druck eines Eindringkörpers ein noch stärkeres Kristallgitter bildet. Es soll sogar eine um 58 Prozent höhere plastische Härte aufweisen als ein Diamant unter denselben Bedingungen. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Lonsdaleit sind stärker als die Bor-Stickstoff-Verbindungen in Wurtzit-Bornitrid, erklären Pan und sein Team die weitere Steigerung.

Leider nur kommt Lonsdaleit nur sehr selten in der Natur vor, da zu seiner Bildung enorme Temperaturen und Drücke erforderlich sind. So findet er sich nur in Meteoritenkratern, wie Tunguska in Russland und dem Rieskrater in Süddeutschland. Zwar ist es möglich, sowohl Lonsdaleit als auch Wurtzit-Bornitrid synthetisch herzustellen, doch erzeugen die aufwendigen Verfahren bisher nur kleine Mengen.

Bei der Eindringhärte war der Diamant lange der absolute Sieger: Ritzt man mit ihm über ein anderes Material, hinterlässt er deutliche Spuren. Im Jahr 2007 entwickelten Forscher dann einen Verbundstoff, der den gleichen Grad an Härte zeigte. Von den enthaltenen Mineralien konnte es allerdings nur Wurtzit-Bornitrid an Härte mit dem Edelstein aufnehmen. So mutmaßten die Wissenschaftler, dass dieser Stoff möglicherweise den Diamanten überbieten könnte. (mp)

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