Das ist ja die Härte

News: Das ist ja die Härte

Siliciumnitrid (SiN) ist 'hart wie Stahl'. Es ist stark, zäh und korrosions- sowie hitzebeständig, dazu leicht an Gewicht und - was will man mehr - auch noch preisgünstig. Kurz, es ist geradezu prädestiniert für die breite Anwendung in den schwierigsten Aufgaben. Was will man mehr als ein solches Material, das selbst für die Kraftstoffpumpen des Space Shuttles bestens geeignet ist? Klar, das gleiche noch einmal, aber bitte noch härter. Keine leichte Aufgabe, aber nun haben es Wissenschaftler geschafft, SiN künstlich zu verdichten. Das Resultat ist die 'Härte'.

Der Begriff "Härte" hat im Zusammenhang mit Feststoffen eine besondere Bedeutung. Traditionell wird die Härte eines Materials relativ zu einem anderen bestimmt. Schon im Jahre 1812 ordnete der Geologe Friedrich Mohs zehn Mineralien zu einer Referenzliste. Seinen Platz in der Skala enthält ein Stoff nach einem einfachen Test: Härtere Stoffe können weichere ritzen. Läßt sich ein Material durch ein anderes ankratzen, ist es demnach weicher. So steht der weiche Talk an unterster Position, weit entfernt vom Diamanten, dem bislang härtesten Mitstreiter. Doch die Suche nach noch stärkeren Konkurrenten hält unvermindert an.

Eine Hoffnung setzten die Materialwissenschaftler auf Siliciumnitrid Si N, eine Verbindung aus Silicium und Stickstoff, die in jener Liste schon immer einen der höheren Plätze besetzen konnte. Bislang ist es in Form zwei verschiedener Kristallstrukturen bekannt. Beide Gittervarianten zeichnen sich durch ihre enorme Härte aus, so daß sie, unter anderem, auch als Schneidwerkzeug bestens geeignet sind. Doch, wie Ralf Riedel von der Technischen Universität Darmstadt am 22. Juli 1999 in Nature vorstellte, gibt es nicht nur zwei, sondern auch noch eine dritte Gitterstruktur – noch härter als die anderen. Hierzu werden herkömmliche SiN-Proben mit einem Laser erhitzt und unter hohem Druck gepreßt. Dadurch werden Silicium- und Stickstoffatome in eine dichtere Packung gedrückt, die dem neuen Material eine noch größerer Härte verleiht. Unter normalen Verhältnissen kann der so verdichtete Stoff sogar bis zu Temperaturen von mindestens 427 Grad Celsius stabil bleiben.

Ob der härteste Kristall aller Zeiten damit gefunden wurde, steht jedoch noch nicht fest. Das synthetisch hergestellte SiN ist mindestens so hart wie Stishovit, einer "Hochdruckform" von Siliciumdioxid (SiO₂), das härteste bekannte Oxid, welches in Meteoritenkratern infolge des Einschlags entsteht. Absolut rangiert Stishovit immerhin auf Rang drei, hinter dem Diamanten und Bornitrid.

Doch neue Zeiten brechen an. Während Konkurrenten von unten nachströmen, bröckelt der hart verteidigte erste Platz des Diamanten. Ein weiterer Stoff wartet auf seine sythetische Erschaffung: ein bestimmtes Gitter aus Kohlenstoffnitrid. In einer theoretischen Studie, die 1996 in Science vorgestellt wurde, postulierten die Autoren die These, daß ein solcher Kristall sogar noch den Diamanten ankratzen könnte. Dabei ist "der Neue" ebenso aus Kohlenstoff, aber noch härter.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 3.7.1998
"Der bessere Diamant?"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum der Wissenschaft 1/93, Seite 114
"Keramische Ventile für Automobilmotoren"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

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