Ein Gummi, härter als Diamant

Bild: Timothy Strobel / Geophysical Laboratory

 

Ein internationales Forscherteam hat ein Material erschaffen, das extrem hart und gleichzeitig sehr elastisch ist. Die Wissenschaftler kombinierten dazu die Molekülstrukturen von zwei sehr unterschiedlichen Formen des Kohlenstoffs: Diamant und Graphen.

Ein Element mit vielen Formen

Starker Stoff: Die Kristallstruktur von Diamant besteht aus zwei sich gegenseitig durchdringenden kubisch flächenzentrierten Gittern. Jedes Kohlenstoffatom ist gleichwertig mit vier Nachbaratomen gebunden. Bild: [Public Domain] / Wikimedia Commons
Diamant ist deswegen so hart, weil die chemischen Bindungen zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen besonders stabil sind. Gleichzeitig ist jedes Atom im Diamanten symmetrisch von vier weiteren Atomen umgeben. Der Grund dafür sind die sogenannten sp3-Bindungen im Diamant-Kohlenstoff. Dadurch entsteht ein Raumgitter, das extrem stabil ist. Nicht umsonst ist Diamant das härteste natürlich vorkommende Material.

Ganz anders verhält sich Graphit, das ebenso aus reinem Kohlenstoff besteht. Wo sich der Diamant in alle drei Dimensionen erstreckt, bildet das weiche Graphit flache Moleküle. Durch die sp2-Bindungen im Graphit-Kohlenstoff sitzt jedes Kohlenstoffatom genau zwischen drei Nachbarn, anstelle von vier. Dadurch bilden sich flache Dreiecke, die sich in der Graphitstruktur wiederholen und dadurch zu Flächen ausdehnen. Diese flachen Schichten liegen übereinander und können leicht gegeneinander verschoben werden. Die flachen Schichten können auch einzeln hergestellt werden und werden als Graphen bezeichnet. Graphen ist erst seit etwas mehr als zehn Jahren bekannt und gilt als neues „Wundermaterial“, das elektronische Bauteile wie Kondensatoren, Batterien oder Halbleitern zu verbesserten Eigenschaften verhelfen kann.

Elastische Flächen aus Graphen-Kohlenstoff sind mit stabilen Diamant-Knotenpunkten verbunden. Das Ergebnis ist hart und flexibel zugleich. Bild: Timothy Strobel / Geophysical Laboratory

Der wohl härteste Gummi der Welt

Das Forscherteam kombinierte diese beiden Eigenschaften, indem sie eine weitere Form des Kohlenstoffs nutzten: den sogenannten Glaskohlenstoff. Dieser besteht wie Graphit auch vollständig aus sp2-Kohlenstoff, die Atome sind aber nicht regelmäßig angeordnet. Die Forscher erhitzten den Glaskohlenstoff auf Temperaturen zwischen 400 °C bis 1.100 °C unter Drücken von 10 bis 25 Gigapascal, also bis auf das 250.000-fache des normalen Luftdrucks.

Dabei wandelten sich einige der sp2-Bindungen des Glaskohlenkohlenstoffs in Diamant-artige sp3-Bindungen um. Deren räumliche Struktur bildete Querverbindungen zwischen den einzelnen flachen Schichten, sodass diese sich in dem neuen Material nicht mehr gegeneinander verschieben können. Das Ergebnis war ein Stoff, der sogar härter als Diamant ist und gleichzeitig so elastisch wie Gummi, wie die Wissenschaflter in einem Video demonstrieren.

Die Forscher um Yongjun Tian von der Yanshan University im chinesischen Qinhuangdao und der Carnegie Institution for Science in Washington stellten ihr neues Material in der Fachzeitschrift Science Advances vor.


Mit bestem Dank an @Sankore_Texte für den Hinweis zu dieser spannenden Arbeit!

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