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News: Harte Sache

Der Diamant ist das härteste bekannte Material - aber leider nicht unbedingt so unvergänglich, wie uns die Werbung manchmal glaubend machen will. Forscher sind deshalb auf der Suche nach Alternativen für Industriediamanten, und offenbar gelang es nun Wissenschaftlern, ein Material herzustellen, dass zumindest annähernd die Härte des Edelsteins erreicht.
Als Schmuckstück mag der Diamant vielleicht auf ewig funkeln, im Einsatz als Werkzeug sieht es anders aus: Wo viel geschnitten, geschliffen und gebohrt wird, sind die Edelsteine zwar aufgrund ihrer unvergleichlichen Härte erste Wahl, aber leider nutzen sie dennoch ab. Die Kombination aus Hitze, die bei Reibung entsteht, und Luft macht ihnen zu schaffen und bewirkt, dass sie sich langsam zersetzen und sich als Wölklein Kohlendioxid in Wohlgefallen auflösen. Außerdem wandert der Kohlenstoff aus heißen Diamanten in Eisen, sodass sie sich kaum dazu eignen, Stahl zu schneiden. Andere Werkstoffe mit vergleichbarer Härte müssen also her.

Bereits 1956 eröffnete die Synthese von kubischem Bornitrid (c-BN) eine Alternative zum Diamanten. Allerdings ist das Material auch nur halb so hart wie der Edelstein. Die chemischen Bestandteile von Bornitrid – also die Elemente Bor und Stickstoff – stehen im Periodensystem der Elemente links und rechts vom Kohlenstoff; sie bilden kurze, starke Bindungen aus, weshalb ihre Verbindung eine derart große Härte besitzt. Deshalb kamen Vladimir Solozhenko vom Institute for Superhard Materials und seine Kollegen in Frankreich und Deutschland auf die Idee, alle drei Elemente – also Bor, Kohlenstoff und Stickstoff – zu kombinieren und so einen besonders harten Werkstoff herzustellen.

Tatsächlich gibt es eine entsprechende Verbindung. Das Material ist jedoch zunächst einmal recht weich – ähnlich wie Graphit, einer Modifikation reinen Kohlenstoffs. Aber genau wie sich dieser durch Druck in einen Diamanten verwandelt, so lässt sich auch ein solches Bor-Kohlenstoffnitrid durch Krafteinwirkung in eine härtere Form bringen.

Solohenko und seine Kollegen füllten dazu eine Diamant-Hochdruckzelle mit den Bor-Kohlenstoffnitriden BC2N und BC4N. Zwischen den zwei Diamanten in dieser Zelle lässt sich die Probe mit sehr hohem Druck zusammenquetschen: Bei einem Druck, der 1,8 Millionen Mal dem der Atmosphäre entspricht, verwandelte sich das Ausgangsmaterial in eine kubische Form (c-BC2N), bei der die einzelnen Atome diamantähnlich angeordnet waren. Im Vergleich dazu ist bei der Herstellung von Industriediamanten nur ein Zehntel des Drucks nötig. Es stellte sich schließlich bei Messungen heraus, dass die Härte des kubischen Bor-Kohlenstoffnitrids ziemlich genau zwischen der des Diamanten und der des kubischen Bornitrids lag. Damit rangiert letzteres nun nur noch auf Platz drei der härtesten Materialien.

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