Materialwissenschaften: Röhrenförmige Nano-Diamanten: superdicht und superhart

Forscher des Bayerischen Geoinstituts (BGI) der Universität Bayreuth haben mit Verwachsungen von röhrenförmigen Diamanten im Nanoformat die dichteste Form von Kohlenstoff und die Materie mit der geringsten Kompressibilität entdeckt.

Dichte und Verdichtbarkeit sind wesentliche Materialeigenschaften, mit denen schon jedes Kind, etwa beim Spielen mit Luftballons oder beim Formen von Sandkuchen, seine ersten Erfahrungen sammelt. Auch aus dem täglichen Leben wissen wir, dass gasförmige Stoffe sehr leicht zu komprimieren sind, Flüssigkeiten und vor allem Feststoffe sind dagegen deutlich schwerer zu verdichten, sie gelten als nahezu unkomprimierbar.

Alle elastischen Eigenschaften eines Materials bestimmen gemeinsam, wie stark sich ein Material unter bestimmten äußeren Drücken komprimieren lässt. Das Maß für die relative Volumenänderung als Reaktion auf die Änderung eines von außen angelegten Druckes heißt Kompressibilität. Den Kehrwert der Kompressibilität bezeichnet man als den Kompressionsmodul.

Kompressionsmodul | Mit der Gleichung aus der Druckänderung geteilt durch den Bruch der Volumenkompression wird der Kompressionsmodul K eines Materials bestimmt.

Bisher hielt Diamant den Rekord als das härteste und am wenigsten komprimierbare Material. Zwischen Kompressionsmodul (K) und Härte (H) besteht eine offensichtliche Korrelation: Je größer H, desto größer auch K. Man hat oft festgestellt, dass sich positive Eigenschaften einer Materie noch verbessern, wenn die Materie in nano-kristalliner statt in makro-kristalliner Form vorliegt. Bisher war es aber schwer vorstellbar, dass es weitere, noch weniger kompressible Stoffe mit größeren Kompressionsmoduli als Diamant geben könnte.

In theoretischen Studien wurden herausragende Eigenschaften von Nano-Drähten und Nanoröhrchen bezüglich Bruchfestigkeit und Druckzähigkeit prognostiziert, was diese Materialien zu wichtigen und realisierbaren Zielen von Synthese-Experimenten machten. Die Herstellung von Nanoröhrchen aus verschiedenen Ausgangsmaterialien verläuft sehr erfolgreich; es gibt es bisher aber keine Erkenntnisse aus Experimenten mit Nanoröhrchen aus Diamant.

ADNRs | Die regellose Verteilung der Diamant-Nano-Röhrchen und die Vielzahl der Korngrenzen in dem Material (unten) sind verantwortlich für die hohe Bruchfestigkeit der ADNRs im Vergleich zu einem Diamant-Einkristall (oben), der eine bevorzugte Spaltbarkeit nach einer Kristallfläche aufweist.

Erste Erfolge bei der Synthese dieses neuartigen Materials aus aggregierten Diamant-Nanoröhrchen (ADNRs = aggregated diamond nanorods) wurden erst kürzlich von Natalia Dubrovinskaia, Leonid Dubrovinsky und Falko Langenhorst, Wissenschaftler am Bayerischen Geoinstituts der Universität Bayreuth, vorgestellt. Zusammen mit Kollegen aus Grenoble und der Technischen Fachhochschule Wildau untersuchten sie auch die elastischen Eigenschaften des Materials. Sie fanden heraus, dass dieses Material einen extrem hohen Kompressionsmodul und eine höhere Dichte als gewöhnlicher Diamant aufweist. Es wurde mittlerweile nachgewiesen, dass ADNRs die dichteste bekannte Form des Kohlenstoffs darstellen und von allen bekannten Materialien die geringste Kompressibilität besitzen.

Die ADNRs wurden in den speziellen Hochdruckpressen am Bayerischen Geoinstitut bei Drücken, wie sie im Erdinneren an der Grenze zwischen oberem und unterem Mantel (24 Gigapascal) vorliegen, synthetisch hergestellt. Unter derartigen enormen Druckbedingungen würde sich sogar das Volumen von Wasser (Eis) um 35 Prozent und das von Stahl um 11 Prozent verringer – bei den ADNRs dagegen lediglich um etwa vier Prozent. Die drei beteiligten Wissenschaftler haben ihre neu entwickelte Methode zur Synthese der superharten, verschleißfesten und thermisch stabilen aggregierten Diamant-Nanoröhrchen (ADNR's) und ihre Verwendung patentieren lassen.