Härter als Diamant

Unkaputtbar: Forscher haben 43 neue, extrem harte Kohlenstoffvarianten entdeckt – drei von ihnen könnten sogar härter sein als Diamant. Aufgespürt wurden diese zuvor unbekannten Strukturvarianten mithilfe virtueller Kristallmodelle und einem lernfähigen Algorithmus. Die neuen superharten Materialien könnten als Alternativen zu Diamanten eingesetzt werden – und sogar noch günstigere Eigenschaften besitzen als diese, wie die Forscher berichten.

Diamanten sind nicht nur als Edelsteine begehrt, sie sind auch das härteste natürliche Material der Erde. Denn in diesen Kohlenstoffkristallen ist jedes Atom mit seinen vier Nachbarn über enge, sehr starke Bindungen verknüpft. Diese besondere Struktur verdankt der Diamant dem enormen Druck und den hohen Temperaturen, unter denen der Kohlenstoff in den Tiefen der Erde komprimiert wurde. Wegen ihrer enormen Härte werden Diamanten in der Industrie zum Schneiden, Schleifen und Polieren harter Materialien genutzt.

„Diamanten sind momentan das härteste kommerziell verfügbare Material, aber sie sind sehr teuer“, sagt Eva Zurek von der University of Buffalo.

Lernfähiger Algorithmus als Suchhelfer

Deshalb suchen Chemiker nach Mineralen, die ähnlich hart, aber günstiger sind. Als potenzielle Kandidaten gelten dabei neben anderen Kristallformen des Kohlenstoffs auch Verbindungen der Elemente Bor, Stickstoff und Sauerstoff, weil diese ebenfalls sehr starke kovalente Bindungen ausbilden können. „Zudem könnten diese Materialien vorteilhafte Eigenschaften besitzen, die Diamanten fehlen – sie interagieren vielleicht anders mit Hitze oder Elektrizität“, so Zurek.

Um solche superharten Materialien aufzuspüren, haben Zurek und ihr Team nun lernfähige Algorithmen zu Hilfe genommen. Diese waren darauf trainiert, die Merkmale potenziell superharter Kristallstrukturen zu erkennen. Dadurch konnten diese Programme aus zufällig erzeugten, virtuellen Kohlenstoff-Strukturvarianten gezielt diejenigen herauspicken, die als Diamantersatz vielversprechend sein könnten.

Diese Illustration zeigt drei der 43 neuartigen superharten Kohlenstoffstrukturen. Blau gefärbte Teile ähneln der Diamantstruktur, gelbe und grüne dem Lonsdaleit. © Avery et al./ npj Computational Materials, CC-by-sa 4.0

43 neuartige Kohlenstoffvarianten

Das überraschende Ergebnis: Die Algorithmen fanden gleich 43 zuvor unbekannte und potenziell superharte Kohlenstoff-Strukturen. Alle würden im sogenannten Vickers-Härtetest dem Druck einer Spitze mit 40 Gigapascal standhalten – dies entspricht dem Druck im unteren Erdmantel. Drei dieser neuartigen Kristallformen könnte sogar noch etwas härter sein als Diamant, wie die Forscher berichten.

Nähere Analysen ergaben, dass die härtesten dieser superharten Kohlenstoffvarianten eine gemischte Kristallstruktur aufwiesen: Sie bestanden teils aus Kohlenstoffatomen in Diamant- oder Lonsdaleit-Konfiguration, teils aus Klumpen amorpher, ungeordneter Kohlenstoffatome. Damit ähneln diese neuen Materialien einer Kohlenstoffvariante, die Chemiker bereits vor ein paar Jahren hergestellt haben.

Auch bei anderen Elementen möglich

Nach Ansicht von Zurek und ihrem Team eröffnen die nun neuentdeckten Kohlenstoffvarianten vielversprechende Möglichkeiten, superharte Alternativen zu Diamanten herzustellen. Einige der neuen Strukturformen könnten beispielsweise durch Hochdruckbehandlung von Graphit produziert werden. „Man nimmt die besten vom Computer vorhergesagten Materialstrukturen und kann sie dann gezielt experimentell herstellen“, sagt Koautor Cormac Toher von der Duke University.

„Bisher gibt es nur sehr wenige superharte Materialen, daher ist es von großem Interesse, weitere zu finden“, sagt Zurek. Die von ihr und ihrem Team eingesetzten Programme ermöglichen es zudem, künftig auch superharte Materialien aus anderen Elementen als Kohlenstoff aufzuspüren. (npj Computational Materials, 2019; doi: 10.1038/s41524-019-0226-8)

Quelle: University at Buffalo