Erfolgreiche Entwicklung von Materialien, die so hart sind wie Diamant

[Anzeige_1]

Diamant ist noch immer das härteste bekannte Material der Welt . Es nimmt eine führende Position bei Werkzeugen für die härtesten Aufgaben ein, von Sägeblättern bis hin zu Raumfahrzeugteilen.

Seit Ende der 1980er Jahre suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, den Diamantenabbau, der oft mit ausbeuterischer Arbeit und Umweltschäden verbunden ist, durch ein Material namens Kohlenstoffnitrid zu ersetzen.

Neues Material aus Kohlenstoffnitrid hat eine Härte, die der von Diamant nahekommt, und bietet potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in vielen verschiedenen Bereichen

Kohlenstoffnitrid, das aus Kohlenstoff und Stickstoff besteht, kann theoretisch mit der Härte von Diamanten mithalten. Eine großtechnische Lösung ist jedoch auf Dauer nicht realisierbar.

Drei Jahrzehnte später ist einem internationalen Wissenschaftlerteam der Universität Edinburgh, der Universität Bayreuth und der Universität Linköping endlich ein großer Durchbruch bei der Herstellung dieses superharten Materials gelungen. Im Wesentlichen müssen Wissenschaftler die natürlichen Bedingungen der Elemente nachbilden, die im Mittelpunkt der Erde existieren.

Dazu komprimierten Wissenschaftler Kohlenstoff und Stickstoff auf das 700.000-fache des atmosphärischen Drucks. Gleichzeitig erhitzten sie das Material mithilfe eines Lasers auf 1500 Grad Celsius. Anschließend wurden die Proben mit hochintensiven Röntgenstrahlen an drei Teilchenbeschleunigern (in Frankreich, Deutschland und den USA) untersucht.

Die Forschungsergebnisse wurden im Oktober 2023 in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Wissenschaftler haben drei Kohlenstoffnitridverbindungen entdeckt, die eine extrem hohe Härte aufweisen und bei Rückkehr zu Umgebungstemperatur- und -druckbedingungen diamantähnliche Eigenschaften behalten.

„Mit derEntdeckung des neuen Kohlenstoffnitridmaterials beginnen wir darüber nachzudenken, ein Material zu schaffen, von dem Forscher seit drei Jahrzehnten träumen“, sagte Dominique Laniel, Co-Autor der Studie von der Universität Edinburgh. „Diese Materialien bringen die Hochdruck-Materialsynthese und die industrielle Anwendung näher zusammen.“

Weitere Untersuchungen zeigten außerdem, dass das neue Material zusätzliche Eigenschaften besitzt, beispielsweise die Fähigkeit, Licht auszustrahlen und eine hohe Energiedichte in einem kleinen Volumen zu speichern.

Kohlenstoffnitrid ist kein vollständiger Ersatz für natürliche Diamanten. Die Härte eines Diamanten beträgt etwa 90 Gigapascal (GPa), während ein kubisches Bornitrid nur etwa 50 bis 55 GPa erreicht. Neue Kohlenstoffnitridverbindungen, die je nach Kristallstruktur etwa 78 bis 86 GPa erreichen. Der zahlenmäßige Unterschied ist nicht groß, reicht aber nicht aus, um den ersten Platz bei Karo zu erringen.

Die neue Materialprobe, die die Wissenschaftler erstellt haben, ist lediglich 5 x 3 Mikrometer groß. Und um größere Proben herzustellen, wären größere Diamanten und noch höherer Druck erforderlich, was das neue superharte Kohlenstoffnitrid extrem teuer machen würde.

Das Ziel besteht jedoch darin, Kosten zu senken, da das Material gegenüber herkömmlichen Diamanten den Vorteil hat, elektrische Signale erzeugen zu können – eine praktische Eigenschaft bei der Verwendung in Sensoren.

Die Viet (Quelle: PopMech)

[Anzeige_2]
Quelle