Welches Material ist härter als Diamant?

Manche Materialien wie Lonsdaleit sind zwar härter als Diamant, kommen aber nicht in großen Mengen vor und haben keine weitverbreitete Verwendung.

Diamanten können fast alles zerkratzen. Foto: Business Standard — Diamanten können fast alles zerkratzen. Foto: *Business Standard*

Diamanten werden aufgrund ihrer Härte geschätzt. Als Schmuckstücke können sie Generationen überdauern und bleiben trotz täglicher Beanspruchung kratzfrei. Als Klingen oder Bohrer durchdringen sie nahezu jedes Material, ohne zu brechen. In Pulverform polieren Diamanten Edelsteine, Metalle und viele andere Materialien. Laut Live Science ist es daher schwierig, ein Material zu finden, das härter als Diamanten ist.

Diamant ist für die meisten praktischen Zwecke immer noch das härteste Material, sagt Richard Kaner, Materialchemiker an der University of California, Irvine. Es gibt zwar Verfahren, um Diamanten härter als herkömmliche Diamanten zu machen, und theoretisch könnten auch andere Materialien härter als Diamant sein, aber sie existieren nicht in einer Form, die man in der Hand halten oder im Alltag verwenden kann.

Während Träger von Diamantschmuck dessen Haltbarkeit bestätigen können, ist der Begriff „Härte“ sehr spezifisch, erklärt Paul Asimow, Geochemiker am California Institute of Technology (Caltech). Er wird oft mit anderen Eigenschaften wie Steifigkeit oder Haltbarkeit verwechselt. Diese sind nicht immer gleichzusetzen mit der Eindruckhärte. Diamanten beispielsweise weisen eine sehr hohe Eindruckhärte, aber nur eine mäßige Biegehärte auf. Diamanten brechen leicht entlang ihrer Kristallflächen, wodurch Juweliere wunderschöne, facettierte Diamanten herstellen.

Wissenschaftler messen die Eindruckhärte auf verschiedene Weise. Geologen verwenden häufig die Mohs-Skala, um Mineralien anhand ihrer Ritzfestigkeit zu bestimmen. Diamant hat den Wert 10, den höchsten Wert auf der Mohs-Skala, was bedeutet, dass er fast alles ritzen kann. Im Labor nutzen Materialwissenschaftler ein präziseres Messverfahren, den Vickers-Härtetest. Dieser bestimmt die Härte eines Materials anhand der Kraft, die benötigt wird, um mit einer Spitze einen Eindruck zu erzeugen – ähnlich wie beim Drücken einer Bleistiftmine in einen Radiergummi.

Diamant besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einem kubischen Gitter angeordnet und durch kurze, starke chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Diese Struktur verleiht ihm seine charakteristische Eindruckhärte. Die meisten Materialien, die härter als Diamant sind, entstehen durch geringfügige Veränderungen der Kristallstruktur von normalem Diamant oder durch den Ersatz einiger Kohlenstoffatome durch Bor oder Stickstoff.

Ein Anwärter auf den Titel des härtesten Materials ist Lonsdaleit. Wie Diamant besteht auch Lonsdaleit aus Kohlenstoffatomen, die jedoch in einer hexagonalen statt einer kubischen Kristallstruktur angeordnet sind. Bis vor Kurzem wurde Lonsdaleit nur in extrem geringen Mengen, hauptsächlich in Meteoriten, gefunden, und es war unklar, ob es als eigenständiges Material klassifiziert werden kann oder ob es lediglich ein Defekt in der Standard-Diamantkristallstruktur ist.

Kürzlich entdeckte ein Wissenschaftlerteam in Meteoriten mikrometergroße (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter) Lonsdaleit-Kristalle. Diese Kristalle sind zwar winzig, aber dennoch größer als bisher bekannte Exemplare. Andere Wissenschaftler berichteten bereits von der Züchtung von Lonsdaleit im Labor, allerdings existieren die Kristalle nur für einen Bruchteil einer Sekunde. Daher ist Lonsdaleit zwar interessant, wird Diamanten in Anwendungen wie Schneiden, Bohren oder Polieren aber wohl nicht so bald ersetzen.

Durch die gezielte Anpassung der Nanostruktur von Diamanten lassen sich Materialien herstellen, die härter als herkömmliche Diamanten sind. Ein Material aus vielen winzigen Diamantkristallen wäre härter als Edelsteindiamanten, da die Nanokristallite an ihrem Platz gehalten würden, anstatt aneinander vorbeizugleiten. „Nano-Zwillingsdiamanten“, bei denen die Kristallite spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, weisen eine doppelt so hohe Eindringfestigkeit auf wie herkömmliche Diamanten.

Die meisten Wissenschaftler forschen jedoch nicht an superharten Materialien, um Rekorde zu brechen; sie wollen etwas Nützliches entwickeln. Sie möchten beispielsweise ein Material herstellen, das fast so hart wie Diamant ist, aber günstiger oder einfacher im Labor herzustellen ist.

Kaners Labor stellt beispielsweise mehrere superharte Metalle her, die als industrielle Alternative zu Diamanten eingesetzt werden könnten. Ein kommerziell erhältliches Produkt kombiniert Wolfram und Bor mit Spuren anderer Metalle. Die Kristallform verleiht dem Material in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften. Bei richtiger Ausrichtung kann es Diamanten ritzen, so Kaner. Das Material ist zudem kostengünstig herzustellen, da es nicht die hohen Drücke benötigt, die für die Diamantenherstellung im Labor erforderlich sind.

An Khang (laut Live Science )

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