Materialforschung : Härter als Diamant

Das Element Kohlenstoff (C) ist einer der Grundbausteine der Natur und des Lebens. Er kommt überall vor: in der Erde, der Luft oder in unseren Zellen - ohne Kohlenstoff geht gar nichts. Es gibt ihn in vielen unterschiedlichen Verbindungen mit anderen Elementen, aber auch in reinen Modifikationen, zum Beispiel als sehr weiches Graphit, Nanoröhrchen oder extrem harten Diamant. Bei diesen verschiedenen Formen sind die Kohlenstoffatome unterschiedlich strukturiert, entweder sehr geordnet und mit klar erkennbarer Struktur (kristallin) oder ungeordnet, in unregelmäßigen Mustern (amorph). Bis jetzt war keine Mischung beider Strukturen bekannt, doch den Wissenschaftlern um Lin Wang von der Carnegie Institution of Washington ist es nun gelungen, eine solche Misch-Struktur herzustellen.

Der Ausgangsstoff bei den Experimenten war ein sogenanntes Fulleren: Kohlenstoff, bei dem 60 Kohlenstoffatome in „Fünfecken“ und „Sechsecken“ so aneinandergereiht sind, dass sie eine hohle, kugelförmige Struktur ergeben, ähnlich wie bei einem Fußball. Das Fulleren mischten die Forscher mit m-Xylol, der Meta-Form des aromatischen Kohlenwasserstoffs Xylol. m-Xylol ist eine farblose Flüssigkeit, die oft als Lösungsmittel dient. Dieser Stoff setzte sich in die Räume zwischen den „Fulleren-Bällen“. Die Wissenschaftler setzen nun Druck an, um zu sehen, wie sich das Gemisch verhält.

Bei niedrigem Druck differierten die Ball-Strukturen nicht, bei erhöhtem Druck veränderte sich das Gesamtbild dann aber deutlich: Bei ungefähr 35 Gigapascal kollabierten die Fulleren-Bälle und bildeten teilweise amorphe Strukturen aus. Dieses Endprodukt offenbarte nun eine spektakuläre Eigenschaft: Es ist härter als Diamant. Den endgültigen Beweis dafür lieferten die Wissenschaftler damit, dass sie mit dem neuen Kohlenstoff Material Diamanten eindrücken konnten.

„Wir haben eine neue Art Kohlenstoff-Material erschaffen, das mit Diamant vergleichbar ist, da es ebenfalls nicht zusammengepresst werden kann“, erläutert Wang. „Wenn das Material einmal unter extremem Druck erzeugt wurde, kann es auch unter normalen Bedingungen existieren, was bedeutet, dass es für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen genutzt werden kann.“ (Wissenschaft.de)

Lin Wang (Carnegie Institution of Washington) et al.: Science; doi: 10.1126/science.1220522