Hart wie Diamant?

News: Hart wie Diamant?

Diamanten sind in der Industrie fast so beliebt wie bei Heiratswilligen. Das härteste Material der Erde eignet sich wunderbar für Bohrer und andere Werkzeuge, aber es ist sehr teuer zu gewinnen oder herzustellen. Nun wird vermutet, daß bestimmte Kugeln aus zwanzig oder 28 Kohlenstoffatomen fast genauso hart sein könnten. Da solche Formen bisher nie synthetisiert wurden, setzte eine französische Arbeitsgruppe ein entsprechendes Molekül aus Silicium extremem Druck aus - und fand heraus, daß es fast so widerstandsfähig war wie die 'Diamant-Form' des Siliciums, welche strukturgleich zu echten Diamanten ist.

Eine Form des Siliciumclathrates besteht aus Kombinationen von Fulleren-ähnlichen Kugelkäfigen aus je zwanzig bis 28 Atomen. Obwohl die Struktur sehr komplex und auch schwierig zu visualisieren ist, hat sie vom Standpunkt eines einzelnen Silicium-Atoms eine große Ähnlichkeit mit der Silicium- (oder Kohlenstoff-) Diamantform: Jedes Atom bindet vier Nachbarn, die sich etwa an gleichen Positionen einer sie umgebenden imaginären Kugel befinden. "Wir besitzen ein Material, welches lokal der Diamantstruktur entspricht," erläutert Alfonso San-Miguel von der Université de Lyon 1 in Frankreich, "aber der Aufbau ist sehr verschieden."

San-Miguel und seine Kollegen baabsichtigten Siliciumclathrate als Modell für Kohlenstoffclathrate zu nutzen. Gleichzeitig wollten sie die Eigenschaften dieser Siliciumverbindung, die eine sehr geeringe Dichte besitzt, erkunden, um mehr über dieses wichtige Element zu erfahren. San Miguel hofft, das Material könnte auch als neuer Halbleiter für elektronische Geräte dienen, da es dafür sehr günstige Eigenschaften besitzt.

Die Wissenschaftler füllten Pulver von Siliciumclathrat in eine Diamanthochdruckzelle (Diamond-anvil cell) und setzten es Röntgenstrahlung des LURE Synchrotrons in Orsay, Frankreich, aus. Bei Drücken bis zu 15 GPa erzeugten sie Beugungsmuster der Röntgenstrahlen, aus denen sie Schlüsse auf die Kristallstruktur ziehen konnten. Trotz der geringen Dichte und der extrem offenen Atomstrukur – es existieren große Lücken innerhalb jedes sphärischen Käfigs – blieb das Siliciumclathrat stabil und wandelte sich auch unter Druck nicht in die raumfüllendere Variante der Diamantstruktur um. Statt dessen konvertierte es in die Hochdruck-Form des Siliciums, in die auch Diamantstrukturen bei etwa demselben Druck von etwa 11 GPa übergehen. Der Kompressionsmodul (bulk modulus), eine Messgröße der Volumensänderung, die zur Härte in Beziehung steht, ist nur etwa acht Prozent geringer als beim Diamanten (Physical Review Letters vom 20. Dezember 1999, Abstract).

San-Miguel und seine Mitarbeiter gehen davon aus, daß, wenn Kohlenstoffclathrate produziert werden könnten, ihr Kompressionsmodul nur von Diamanten übertroffen würde. In der Kombination mit anderen Atomen, durch welche die Strukturlücken aufgefüllt werden, könnten sie sogar härter sein. Auch Jean Louis Hodeau vom French National Center for Scientific Research (CNRS) in Grenoble glaubt an diese Eigenschaften von Kohlenstoffclathraten und ist optimistisch, daß eine Produktion gelingen könnte. Er selbst geht dabei von seinen Forschungen über kovalent gebundene Kohlenstoff-Fullerene aus.

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