Härter als Diamant
Physiker in Deutschland haben ein Material entwickelt, das härter als Diamant ist. Natalia Dubrovinskaia und ihre Kollegen an der Universität Bayreuth erzeugten das neue Material, indem sie Kohlenstoff-60-Moleküle immensem Druck aussetzten. Es wird erwartet, dass es für diese neue Form des Kohlenstoffs, die als "aggregierte Diamant-Nanoröhrchen" (ADNR) bekannt ist, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie geben wird. Aufgrund einer Kombination einzigartiger physikalischer und chemischer Eigenschaften wie Härte, hohe Wärmeleitfähigkeit, weiter Bandabstand, hohe Elektronen- und Löcherbeweglichkeit sowie chemische Trägheit wurden Diamanten für eine breite Palette von Anwendungen in der modernen Wissenschaft und Technologie verwendet. Die Nachfrage nach diamantähnlichen Materialien in elektronischen Anwendungen steigt. Obwohl es wenige Anzeichen dafür gibt, dass eine diamantbasierte Mikroelektronik das Silikon vollständig verdrängt, könnten Diamantgeräte in Situationen funktionieren, in denen die Silikonelektronik fehlschlägt: Diamantchips könnten potenziell noch bei Temperaturen von mehreren hundert Grad arbeiten, wohingegen Silikongeräte im Allgemeinen bei über 450 Grad Kelvin nicht mehr funktionieren. In den letzten paar Jahren wurden beträchtliche elektrochemische Anwendungen diamantbasierter Filme entwickelt und werden als viel versprechender Forschungsbereich angesehen. Reiner Diamant ist ein perfekter Isolator und leitet Strom sehr schlecht. Aber wie Silikon kann er durch Spuren von Bor oder Stickstoffverunreinigungen zu einem Halbleiter umgewandelt werden. Diamant erhält seine Härte durch die Tatsache, dass jedes Kohlenstoffatom durch starke kovalente Bindungen mit vier anderen Atomen verbunden ist. Das neue Material unterscheidet sich insofern, als es aus winzigen ineinander greifenden Diamantröhrchen besteht. Jedes Röhrchen ist ein Kristall mit einem Durchmesser von fünf bis 20 Nanometer und einer Länge von etwa einem Mikron. Die Härte eines Materials wird durch seinen Widerstand gegen anderes Material, das seine Oberfläche durchdringt, definiert und wird durch ihr isothermales Kompressionsmodul gemessen. Das Kompressionsmodul führt zu einer Veränderung des Volumens einer festen Substanz, da der Druck auf sie verändert wird. Aggregierte Diamant-Nanoröhrchen haben ein Modul von 491 Gigapascal (GPa), im Vergleich zu 442 GPa für herkömmliche Diamanten. Das Team stellte die ADNR durch Kompression der Kohlenstoff-60-Moleküle auf 20 GPa her, was fast dem 200-fachen des Atmosphärendrucks entspricht, wobei gleichzeitig eine Erhitzung auf 2.500 Grad Kelvin erfolgte. Laut Dr. Dubrovinskaia "war die Synthese aufgrund einer einzigartigen 5.000-Tonnen Multianvil-Presse am Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth möglich, die Drücke von 25 GPa und gleichzeitig Temperaturen von 2.700 Grad Kelvin erreichen kann". Das Bayerische Geoinstitut erhält vier Jahre lang Finanzierungsmittel aus dem Programm "Forschungsinfrastrukturen" der EU. Die Eigenschaften der Proben wurden mit einer Diamant-Anvil-Zelle - ein Gerät, das Drücke erzeugen kann, die fast so hoch sind wie die Drücke im Mittelpunkt der Erde - in der Europäischen Synchrotron-Strahlungsanlage in Grenoble, Frankreich, gemessen. Diese Messungen ergaben, dass ADNR etwa 0,3 Prozent dichter als Diamant sind und dass das neue Material das am wenigsten komprimierbare aller bekannten Materialien ist. Das Bayreuther Team möchte herausfinden, warum das neue Material so hart ist, und hofft, daneben sein industrielles Potenzial nutzen zu können. Dr. Dubrovinskaia und zwei ihrer Kollegen haben die Herstellungsmethode für das neue Material zum Patent angemeldet. "Wir haben ein Konzept für innovative Technologie zur Herstellung des neuartigen Materials in Industriemengen entwickelt und suchen jetzt nach Partnern, um unsere Ideen zu verwirklichen", sagte sie.
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