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: Einmalig hart: Der gute Ruf des Diamanten bekommt Risse

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Der Diamant ist ein begehrter Schmuckstein. Doch wegen seiner großen Härte wird das aus reinem Kohlenstoff bestehende Material auch anderweitig geschätzt, nämlich für Schneid- und Schleifwerkzeuge sowie Bohrer.

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          Der Diamant ist ein begehrter Schmuckstein. Doch wegen seiner großen Härte wird das aus reinem Kohlenstoff bestehende Material auch anderweitig geschätzt, nämlich für Schneid- und Schleifwerkzeuge sowie Bohrer. Seit ungefähr fünfzig Jahren sind darüber hinaus künstliche Diamanten zugänglich. Man erhält sie, wenn man Graphit in einer Presse auf hohe Temperaturen erhitzt oder mit Schockwellen unter einen so hohen Druck setzt, wie er auch bei Explosionen auftritt. Künstliche Diamanten werden schon in vielen Industriezweigen genutzt. Gleichwohl suchen die Forscher nach Substanzen, die den Diamanten ganz ersetzen können. Denn die Hochdrucksynthesen sind aufwendig, und manche Materialien - etwa Stahl - lassen sich nicht gut mit Diamant bearbeiten: Der Kohlenstoff löst sich im Eisen gleichsam auf. Mittlerweile erwächst den künstlichen Diamanten Konkurrenz, vor allem durch Borverbindungen und Carbide, die teilweise erstaunlich hart sind.

          Schon seit längerem ist sogenanntes kubisches Bornitrid ein guter Ersatz für Diamant und wird beispielsweise bei der Bearbeitung von Stahl verwendet. Die Bor- und Stickstoffatome des Nitrids sind genauso angeordnet wie die Kohlenstoffatome im Diamanten. Daraus ergibt sich wohl die hohe mechanische Widerstandsfähigkeit der Substanz, die etwa halb so groß ist wie die von Diamant. Die Härte einer Substanz wird in der Regel dadurch bestimmt, dass man eine Prüfspitze aus Diamant in den Werkstoff presst - durch die sogenannte "Härteprüfung nach Vickers". Die Tiefe des Abdrucks gilt als Maß für die mechanische Widerstandsfähigkeit. Lange Zeit führte der Diamant mit einem Wert von fast 100 Gigapascal die Rangliste der härtesten Stoffe an. Berechnungen zufolge müsste es jedoch mehrere Substanzen geben, die ihn übertreffen könnten. Dazu zählen besondere unter Hochdruck erhaltene Formen von Bornitrid und Kohlenstoff, deren man allerdings nur schwer habhaft werden kann. Vor zwei Jahren erst erhielten Forscher um Natalia Dubrovinskaia von der Universität Bayreuth bei ihren Hochdruckversuchen Bornitrid-Kristalle, die so hart waren wie Diamant.

          Erweist sich eine Substanz als mechanisch besonders widerstandsfähig, liegen offenbar besonders kurze und starke Bindungen zwischen den Atomen vor. Deshalb suchen die Wissenschaftler vor allem bei Kombinationen aus Bor, Kohlenstoff und Stickstoff nach neuen Hartstoffen. Im Frühjahr dieses Jahres berichtete eine Forschergruppe um Artem Oganov von der Stony Brook University in New York über augenscheinlich ziemlich harte Borkristalle ("Nature", Bd. 457, S. 863). Kurz darauf haben Natalia Dubrovinskaia und ihre Mitarbeiter weitere Daten über dieses als B28 bezeichnete Material geliefert ("Physical Review Letters", Bd. 102, 185501). Die unter enormem Druck und hohen Temperaturen hergestellte Substanz hat demnach eine Härte von 58 Gigapascal.

          Etwas weniger hart, dafür aber auch mit deutlich weniger Aufwand herzustellen sind zwei Übergangsmetallboride, die in jüngster Zeit viel Aufmerksamkeit erregt haben. Sie stammen aus dem Labor von Richard Kaner von der University of California in Los Angeles und weisen Härten von etwa 30 Gigapascal auf. Kaner hat Bor mit Übergangsmetallen wie Osmium und Rhenium kombiniert ("Journal of the American Chemical Society", Bd. 130, S. 16953). Diese Atome verfügen über viele Bindungselektronen und sollten daher starke Bindungen mit den Boratomen aufbauen. Der Chemiker mischte die Ausgangselemente, presste sie zu kompakten Proben und erhitzte diese fünf Tage lang auf tausend Grad. Die erhaltenen Boride sind recht hart, allerdings ist bei der Messung entscheidend, wie die Kristalle orientiert sind. Ihre Widerstandsfähigkeit ist nur in einer Richtung überragend.

          Basierend auf diesen Beobachtungen, hat Antonin Simunek von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften Überlegungen angestellt, wie sich die Härte einer Substanz berechnen lässt ("Physical Review B", Bd. 80, 060103[R]). Die von ihm entwickelte Formel berücksichtigt die Richtungsabhängigkeit der verschiedenen Bindungen innerhalb eines Kristalls. Simunek kommt zu dem Schluss, dass die Härte vor allem durch die atomaren Bindungen bestimmt wird, welche senkrecht zur Ebene liegen, auf die der Druck erfolgt. Diese Ergebnisse könnten hilfreich bei der Suche nach weiteren besonders harten Materialien sein.

          Der Schlüssel zu vielversprechenden neuen Hartstoffen scheint das Element Bor zu sein. Allerdings ist Bor stark reaktiv, und winzige Spuren von Verunreinigung reichen aus, Struktur und Eigenschaften einer Borverbindung erheblich zu verändern. Auch sind die Strukturuntersuchungen aufwendig. Boratome verknüpfen sich nämlich zu einer Vielzahl komplexer Gebilde, die neben elektronenreichen Atomen wie etwa Osmium und Rhenium mit konventionellen Röntgenbeugungsverfahren nur schwer zu lokalisieren sind. Viele Forschungsarbeiten belegen jedoch das hohe Potential von Bor bei der Synthese neuer Hartstoffe.

          Unter bisweilen drastischen Bedingungen bildet Bor Verbindungen wie Borcarbidnitrid (BC2N), das eine Härte von fast 80 Gigapascal aufweist und von Vladimir Solozhenko von der Universität Paris Nord vor etwa acht Jahren hergestellt wurde. Vor kurzem berichtete Solozhenko dann über die Verbindung BC5, eine Substanz, die mit einer Härte von 70 Gigapascal ihrem Vorbild, dem Diamanten, auch recht nahe kommt ("Physical Review Letters", Bd. 102, S. 015506). In der dreidimensionalen Anordnung der Atome ist sie sein perfektes Abbild. UTA BILOW

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